Mozek a chování, vnější prostředí neuronu Studijní literatura • SILBERNAGL, Stefan a Agamemnon DESPOPOULOS. Atlas fyziologie člověka. 6. přepracované vydání. Praha: Grada, 2004. • GANONG, William F. Přehled lékařské fyziologie. 20. vyd. Praha: Galén, 2005. • KRÁLÍČEK, Petr. Úvod do speciální neurofyziologie. 3., přepracované a rozšířené vyd. Praha: Galén, 2011. • JANČÁLEK, Radim a Petr DUBOVÝ. Základy neurověd v zubním lékařství. 2nd. Brno: Portál Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, 2011. 117 s. Multimediální podpora výuky. Homeostáza • stálost vnitřního prostředí • endokrinní, nervový, imunitní systém Homeostáza - nervový systém • Mozek člověka je "chytrý" – když je to možné, anticipuje pravděpodobné změny v homeostáze → všechny anticipační homeostatické zásahy vyžadují funkční přední mozek • nečekané výchylky v homeostáze → zajišťovány většinou nevědomými reflexy na úrovni míchy a mozkového kmene Homeostáza - nervový systém • nevědomé procesy - např. peristaltika střevní, .... • volní složka se podílí např. při řízení tělesné teploty ...... Homeostáza - nervový systém • Funkce, při kterých je nezbytná interakce se zevním prostředím, vyžadují účast chování a jsou projevem činnosti mozku. • Chování (od jednoduchých po složité formy) vyžaduje účast tří hlavních funkčních sestav mozku: senzorických, výkonných a motivačních. Chování podle cíle, k němuž směřuje: • energetická rovnováha • objem vody a osmolarita • udržení stálé tělesné teploty • dlouhodobá výkonnost • udržení a upevnění zdraví • reprodukční, sexuální • obranné • ........... Popis funkcí - co neurony, oblasti a okruhy skutečně dělají - je pouze přibližný • nervový systém pracuje jako celek • neurony různých oblastí ovlivňují jiné neuronální okruhy a funkce Popis funkcí - co neurony, oblasti a okruhy skutečně dělají - je pouze přibližný • určitá populace neuronů nebo oblast je důležitá pro jednu nebo více "svých" funkcí a méně významná v řadě dalších funkcí → postižení jedné oblasti může ovlivnit více či méně několik funkcí Neuron • přibližně 1011 nervových buněk • společným rysem je individualita • liší se jeden od druhého lokalizací, stavbou, spoji, fyziologickými vlastnostmi a funkcí • neurony tvořící shluky (jádra) nebo vrstvy mají podobné vlastnosti Většina neuronů sdílí následující: • 4 morfologické oblasti – dendrity, tělo, axon, synaptické terminály • 4 funkční komponenty – vstupní, integrační, vedení vzruchu, výstupní • generují regenerativní elektrické potenciály • komunikují s dalšími neurony Neuron Zákon dynamické polarizace neuronů: nervová informace se šíří jedním směrem z dendritů a těla do axonu a synaptických zakončení (Cajal) Neuron – zajímavá čísla • tělo neuronu v průměru 5-25 mikrometrů • průměr axonu 0,5-20 mikrometrů • nejdelší axony cca 1,4 m Pokud přirovnáte tělo neuronu (25 mikrometrů) k baseballovému míčku (cca 12 cm), jak pak bude jeho axon (např. 10 mikrometrů v průměru a délky 1 metr) proporcionálně dlouhý a tlustý? Glie (10 x více než neuronů) • CNS – oligodendrocyty, astrocyty, mikroglie • PNS – Schwannovy buňky • funkce: metabolická, imunitní, přenos informací, objemová a iontová homeostáza Myelin - zrychluje vedení AP - porušení tvorby myelinu, autoimunitní reakce, atd... → demyelinizační onemocnění – postižení nervové komunikace (sclerosis multiplex v CNS, Guillain Barré syndrom – periferní demyelinizační onemocnění) Vnitřní prostředí CNS • extracelulární prostředí (15 % objemu mozku) • intersticiální tekutina a extracelulární matrix • mozkomíšní mok (angl. zkratka CSF) v komorách a subarachnoidálních prostorech - čirá, bezbarvá tekutina, nebuněčná (do 4 buněk/μl), relativně bez proteinů funkce: mechanická a ochranná, drenážní, homeostatická, přenos informací (? neuropeptidy, GABA) Produkce mozkomíšního moku • cca 500 ml/den (z toho cca 70 % v plexus choriodei) • cirkulující objem: cca 150 ml Bariéry v CNS • bariéry udržují stále složení ECT a likvoru • klinické využití: přechod léčiv přes bariéry – ATB, dopamin x L-Dopa ..... • funkce bariér může být porušena různými patologickými procesy • cirkumventrikulární orgány Průtok krve mozkem • 750-1000 ml / min • autoregulace – Myogenní: ↓ TK → dilatace arteriol; ↑ TK → konstrikce arteriol – Metabolická: ↑ pCO2, K+ a ↓ pO2, pH → dilatace arteriol (NO …) ↓ pCO2 → konstrikce arteriol Zásobování kyslíkem • mozek (cca 3 % tělesné hmotnosti) vyžaduje stabilní dodávku kyslíku a glukózy • spotřeba: cca 25 % celkového kyslíku odpovídá přibližně 3,3 ml O2/100g/min • bez kyslíku: bezvědomí za 10 sekund, ireverzibilní změny po 4 minutě (vegetativní struktury mozkového kmene jsou méně citlivé na hypoxii) • arteriální přítok krve do mozku představuje asi 15-20 % srdečního výdeje Zdroje energie • glukóza - není zapotřebí inzulín: GLUT přenašeče (z astrocytu laktát) • hladovění, cukrovka – ketolátky • mozek novorozence i volné mastné kyseliny Nervová buněčná membrána • fosfolipidová dvojvrstva • iontové kanály • přenašeče • receptory • proteiny synaptických membrán Pasivní transport - iontové kanály • stále otevřené • řízené napětím • řízené chemicky • řízené mechanicky Aktivní transporty – iontové pumpy a přenašeče Iontové složení ICT a ECT Rozložení nábojů Elektrochemický gradient Rovnovážný potenciál • Nernstova rovnice (př. pro draslík) EK= -90 mV ENa= +65 mV ECl= -70 mV ECa= +125 mV Klidové membránové napětí (KMP) Rozdíl elektrického potenciálu mezi vnitřní a vnější částí plazmatické membrány u nestimulované buňky. U neuronů je měřený rozdíl asi 65 (70) mV. Protože uvnitř buňky je relativní převaha záporných nábojů říkáme, že KMP je -65 (-70) mV. Klidové membránové napětí příčina: (1) nerovnoměrné rozdělení iontů mezi ICT a ECT (Na+-K+ pumpa) (2) selektivní propustnost membrány v klidu pro K+ (iontové kanály) Klidové membránové napětí • Goldman (Hodgkin - Katzova) rovnice P ... relativní propustnost squid axon: PK=1, PNa= 0,04, PCl=0,45 u savčích neuronů je to podobné • synapse • chemická x elektrická synapse • neurotransmitery Synaptický přenos Synapse • na průměrném neuronu se nachází přibližně 10 000 synapsí (100 000 – Purkyňova buňka) • průměrný neuron vytváří 1000 (2000) spojení • dendritické trny – zvětšení plochy dendritů • Sir Charles Sherington (1932 - Nobelova cena za fyziologii a medicínu) Elektrická synapse téměř žádné zpoždění; obousměrné vedení informace; na neuronech (např. u generátorů rytmických vzorců) i gliových buňkách (astrocyty) Chemické synapse presynaptická buňka synaptická štěrbina: 20-40 nm postsynaptická buňka • synaptické zpoždění: 1-5 ms • jednosměrné vedení informace Chemický přenos – 4 kroky • presynaptický neuron: – syntéza přenašeče – ukládání a uvolňování přenašeče • postsynaptický neuron: – interakce přenašeče s receptorem – odstranění přenašeče ze synaptické štěrbiny Přenašeč (transmiter) • je tvořen v neuronu • nachází se v presynaptické části • stimulace presynaptické části vede k jeho uvolnění a spuštění specifické odpovědi • existuje specifický mechanismus, který zajišťuje jeho odstranění ze synaptické štěrbiny Inaktivace přenašeče • Difúze • Enzymatická degradace • př. acetylcholinesteráza v synaptické štěrbině • Reuptake – membránové přenašeče na terminálách a gliových buňkách - vezikulární přenašeče Receptory • každý přenašeč má více typů receptorů • postsynaptické a presynaptické receptory • vysoká koncentrace receptorů v místě, kde se uvolňuje přenašeč • ionotropní a metabotropní receptory Ionotropní receptory – rychlá, krátce trvající odpověď – otevírají kanály – motorické akce a senzorické zpracování Metabotropní receptory – sekundy až minuty – modulace účinnosti synaptického přenosu – otevírají nebo uzavírají kanály – emoční stavy, úroveň nabuzení, nálady, jednoduché formy učení a paměti Glutamát je hlavní excitační neurotransmiter, GABA je hlavní inhibiční neurotransmiter v mozku. Příklady neuropeptidů • mozek/GIT peptidy – substance P • opioidní peptidy – Leu-enkephalin • hypofýza - ACTH • ……..