1 Úvod do neurofyziologie Buněčný podklad nervového systému Synapse Úvod - buněčný podklad – synapse2 Kontakt Kamil Ďuriš Ústav patologické fyziologie (A18) kduris@med.muni.cz Úvod - buněčný podklad – synapse3 Proč a jak STUDOVAT neurovědy Philosophy : Mind behind Mind Psychology : MindNeuroscience: Brain PS Deb http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations FAKTA TEORIE Úvod - buněčný podklad – synapse4 K čemu je dobrý nervový systém? Úvod - buněčný podklad – synapse5 Úvod - buněčný podklad – synapse6 Význam nervového systému Mnohobuněčný organismus • Buněčná specializace – vyšší efektivita • Vnitřní prostředí – homeostáza • Nižší míra stresu • Delší doba přežití Jednobuněčný organismus • Jedna buňka musí vykonávat vše - nižší efektivita • Závislost na vlastnostech vnějšího prostředí • Vysoká míra stresu • Krátká doba přežití Význam a regulační povaha nervového systému • K přežití mnohobuněčných organismů je nutné ➢ Udržování homeostázy – Složení vnitřního protředí – Integritu tkáňových/orgánových/tělesných bariér ➢ Koordinace tělesných funkcí – Přijímat signály z vnějšího a vnitřního prostředí – Zpracovávat informace z těchto signálů – Koordinovaně odpovídat na tyto podměty Úvod - buněčný podklad – synapse7 Vstup Integrace Výstup REGULACE • Regulace – Nervová – Humorální Význam a regulační povaha nervového systému Úvod - buněčný podklad – synapse8 • Regulace – Nervová – Humorální http://biology.about.com/od/anatomy/p/Hypothalamus.htm Význam a regulační povaha nervového systému Centrální nervový systém řídí oba typy regulací Úvod - buněčný podklad – synapse9 Význam a regulační povaha nervového systému Regulace humorální • Hormon • Nespecifický kanál vedení „využití stávající infra- struktury“ • Specificita dána přítomností receptoru na cílové buňce • Energeticky nenáročná • Pomalý nástup účinku • Trvání účinku - dlouhé Regulace nervová • Neurotransmiter • Specifický kanál vedení • Specificita dána infrastrukturou • Energeticky náročná • Rychlý účinek • Trvání účinku - krátké Úvod - buněčný podklad – synapse10 Význam a regulační povaha nervového systému Regulace humorální • Hormon • Nespecifický kanál vedení „využití stávající infra- struktury“ • Specificita dána přítomností receptoru na cílové buňce • Energeticky nenáročná • Pomalý nástup účinku • Trvání účinku - dlouhé Regulace nervová • Neurotransmiter • Specifický kanál vedení • Specificita dána infrastrukturou • Energeticky náročná • Rychlý účinek • Trvání účinku - krátké Úvod - buněčný podklad – synapse11 Význam a regulační povaha nervového systému Úvod - buněčný podklad – synapse12 Vstup Integrace CNS Výstup REGULACE Význam a regulační povaha nervového systému Úvod - buněčný podklad – synapse13 Vstup Integrace CNS Výstup REGULACE Potenciální vstup Potenciální výstup ANTICIPACE Význam a regulační povaha nervového systému Úvod - buněčný podklad – synapse14 Vstup Integrace CNS Výstup REGULACE Potenciální vstup Potenciální výstup ANTICIPACE Senzor Efektor Kortex Kortex Evoluční přístup • V průběhu evoluce nebyly staré struktury nahrazeny novými, ale staré bylo zachováno a nové struktury byly přidány • Evolučně mladší struktury zajišťovaly buď nové funkce nebo stávající funkce na vyšší úrovni • Z evolučního pohledu je potřeba se ptát k čemu je studovaná funkce dobrá z hlediska organismu a jak se v průběhu evoluce zdokonalovala Úvod - buněčný podklad – synapse15 Evoluční přístup • V průběhu evoluce nebyly staré struktury nahrazeny novými, ale staré bylo zachováno a nové struktury byly přidány • Evolučně mladší struktury zajišťovaly buď nové funkce nebo stávající funkce na vyšší úrovni • Z evolučního pohledu je potřeba se ptát k čemu je studovaná funkce dobrá z hlediska organismu a jak se v průběhu evoluce zdokonalovala Úvod - buněčný podklad – synapse16 Evoluční přístup • V průběhu evoluce nebyly staré struktury nahrazeny novými, ale staré bylo zachováno a nové struktury byly přidány • Evolučně mladší struktury zajišťovaly buď nové funkce nebo stávající funkce na vyšší úrovni • Z evolučního pohledu je potřeba se ptát k čemu je studovaná funkce dobrá z hlediska organismu a jak se v průběhu evoluce zdokonalovala Úvod - buněčný podklad – synapse17 Evoluční přístup Evoluce není revoluce Úvod - buněčný podklad – synapse18 Vývoj nervového systému Úvod - buněčný podklad – synapse19 Základní typy tkání ✓ Epitelová ✓ Pojivová ✓ Svalová ✓ Nervová Vstup Integrace Výstup Gerald Schneider. 9.14 Brain Structure and Its Origins, Spring 2014. (Massachusetts Institute of Technology: MIT OpenCourseWare), http://ocw.mit.edu (Accessed). License:Creative Commons BY-NC-SA Vývoj nervového systému Úvod - buněčný podklad – synapse20 Vstup Integrace Výstup Gerald Schneider. 9.14 Brain Structure and Its Origins, Spring 2014. (Massachusetts Institute of Technology: MIT OpenCourseWare), http://ocw.mit.edu (Accessed). License:Creative Commons BY-NC-SA Vývoj nervového systému Úvod - buněčný podklad – synapse21 Gerald Schneider. 9.14 Brain Structure and Its Origins, Spring 2014. (Massachusetts Institute of Technology: MIT OpenCourseWare), http://ocw.mit.edu (Accessed). License:Creative Commons BY-NC-SA Vstup Integrace Výstup Kompartmentalizace • Buněčná specializace vede u mnohobuněčných organismů ke kompartmentalizaci na různých úrovních – Tkáňová úroveň – Orgánová úroveň – Systémová úroveň • Jednotlivé kompartmenty jsou od sebe odděleny bariérami • Vlastnosti/složení obsahu jednotlivých kompartmentů se velmi liší Úvod - buněčný podklad – synapse22 Kompartmentalizace • Buněčná specializace vede u mnohobuněčných organismů ke kompartmentalizaci na různých úrovních – Tkáňová úroveň – Orgánová úroveň – Systémová úroveň • Jednotlivé kompartmenty jsou od sebe odděleny bariérami • Vlastnosti/složení obsahu jednotlivých kompartmentů se velmi liší Úvod - buněčný podklad – synapse23 v v Nitrolební kompartment Úvod - buněčný podklad – synapse24 • „Velmi specifická oblast“ • Mozek • Likvor • Krev (v cévách) • Bariéry mezi mozkem, likvorovým a intravaskulárním kompartmentem – Meningeální – Hematolikvorová – Hematoencefalická http://edutoolanatomy.wikispaces.com http://www.corpshumain.ca/en/Cerveau3_en.php Hematoencefalická bariéra • Vysoce organizovaná bariéra – Endotel (nízká propustnost díky zonlua occludens) – Bazální membrána – Astrocyty – Pericyty Úvod - buněčný podklad – synapse25 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/12/Blood_vessels_brain_english.jpg Cirkumventrikulární orgány • Modifikovaná hematoencefalická bariéra • Bohatá vaskularizace • Senzory • Sekrece Úvod - buněčný podklad – synapse26 http://www.neuros.org/index.php?option=com_photos&view=photos&oid=hafizbilal OVLT - Organum vasulosum laminae terminalis Mozkomíšní mok • Složení ✓ Vysoký obsah Mg+ a Na+ ✓ Nízký obsah K+ a Ca2+ ✓ Minimum buněk (max 5/ml) • Funkce ✓ Ochrana ✓ Funkce transportní,metabolická, imunologická Úvod - buněčný podklad – synapse27 http://www.control.tfe.umu.se PCh AG Mozkomíšní mok • Čirá tekutina vzniklá aktivní sekrecí • Likvorový prostor ➢ Vystlán ependymem ➢ 150-250 ml • Tvorba mozkomíšního moku ✓ Plexus choroideus (PCh) -70% ✓ Buněčný metabolismus ✓ Kapilární ultrafiltrát ➢ 450-750 ml/den • Resorbce mozkomíšního moku ✓ Archnoidální granulace (AG) Úvod - buněčný podklad – synapse28 http://www.control.tfe.umu.se PCh AG Nitrolební kompartment Úvod - buněčný podklad – synapse29 • Mozek • Likvor • Krev (v cévách) • Intrakraniální tlak (ICP) ✓ Tlak v nitrolebí ✓ Kritický parametr spoludeterminující mozkovou perfúzi • Cerebrální perfusní tlak (CPP) tlakový gradient díky kterému teče krev do mozku http://edutoolanatomy.wikispaces.com !!! CPP = MAP – ICP !!! Cerebrální perfúzní tlak Střední arteriální tlak Intrakraniální tlak Buněčný podklad nervového systému Synapse Úvod - buněčný podklad – synapse30 Buněčný podklad nervové soustavy • Neurony – Příjem, integrace a šíření informace – Unikátní, nenahraditelné • Neuroglie – Podpůrná činnost – Nahraditelné • Počet neuronů cca. 100 miliard (1011) • Poměr neruon/glie – 1/10 - 50 (Principles of Neural Science, 4th ed., 2000) – 1/2 – 10 (Principles of Neural Science, 5th ed., 2012) – 1/1 (Nolte´s Human Brain, 7th ed., 2015) Úvod - buněčný podklad – synapse31 Neuroglie Úvod - buněčný podklad – synapse32 Centrální nervový systém Periferní nervový systém • Astrocyty – Hematoencefalická b. – Udržování homeostázy – Metabolismus neurotransmiterů – Důležité také při vývoji mozku • Oligodendrocyty – Myelinový obal • Mikroglie – Imunita • Ependymální buňky – Choroidní plexus – (hemato-likvorová bariéra) – Výstelka komorového systému (likvoro-encefalická bariéra) • Satelitní buňky – Podpůrná funkce v periferních gangliích • Schwanovy buňky – Myelinový obal Neuron Úvod - buněčný podklad – synapse33 http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations ✓ Recepce signálu ✓ Integrace signálu ✓ Generování AP ✓ Vedení AP ✓ Přenos signálu „Uvnitř“ neuronu Membrána neuronu ✓ … ✓ Syntéza ✓ Transport ✓ … Udržovací aktivity Úvod - buněčný podklad – synapse34 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ed/Neuron_Cell_Body.png Udržovací aktivity Úvod - buněčný podklad – synapse35 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ed/Neuron_Cell_Body.png Udržovací aktivity Úvod - buněčný podklad – synapse36 http://www.oapublishinglondon.com/images/article/pdf/1397255957.pdf Membránový potenciál • Vzniká díky rozdílům v koncentracích iontů na opačných stranách semipermeabilní membrány Úvod - buněčný podklad – synapse37 http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations Klidový membránový potenciál neuronu • Vysoce nestabilní stav membrány • Proč? – Rychlost! • Energetická náročnost ✓Kyslík - 20% celkové tělesné spotřeby ✓Glukóza – 25% celkové tělesné spotřeby Úvod - buněčný podklad – synapse38 http://assassinscreed.ubi.com Akční potenciál • Rychlá změna napětí na membráně • Vznik na axonovém hrbolu nebo iniciálním segmentu • Šíří se membránou • Princip vše nebo nic Úvod - buněčný podklad – synapse39 http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations Šíření akčního potenciálu • Lokální proudy • Anterográdní směr Úvod - buněčný podklad – synapse40 http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations Saltatorní vedení • Myelinová pochva • Ranvierovy zářezy • Energetická úspora • Rychlost • Rychlost vedení dále ovlivněna průřezem vlákna – elektrický odpor nepřímo úměrný průřezu Úvod - buněčný podklad – synapse41 http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations • Axony • U člověka většina myelinizovaná (V CNS všechna) • Nemyelinizovaná pouze evolučně nejstarší vlákna Úvod - buněčný podklad – synapse42 Klasifikace nervových vláken http://neuroscience.uth.tmc.edu/s2/chapter04.html Klasifikace neuronů 43 http://www.slideshare.net/CsillaEgri/presentations Úvod - buněčný podklad – synapse Klasifikace neuronů Úvod - buněčný podklad – synapse44 http://www.slideshare.net/CsillaEgri/presentations Klasifikace neuronů Úvod - buněčný podklad – synapse45 http://www.slideshare.net/CsillaEgri/presentations Synapse Úvod - buněčný podklad – synapse46 • Komunikace mezi neurony • Elektrické • Chemické Elektrické synapse Úvod - buněčný podklad – synapse47 • Evolučně staré • Méně než chemických • Ubikvitární • Gap junctions • Obousměrný přenos • Rychlost http://www.slideshare.net/CsillaEgri/presentations Elektrické synapse Úvod - buněčný podklad – synapse48 • Evolučně staré • Méně než chemických • Ubikvitární • Gap junctions • Obousměrný přenos • Rychlost http://www.slideshare.net/CsillaEgri/presentations Chemické synapse Úvod - buněčný podklad – synapse49 • Evolučně mladší • Většinový typ • Jednosměrný přenos • Synaptická štěrbina • Neurotransmiter http://www.slideshare.net/CsillaEgri/presentations Chemické synapse Úvod - buněčný podklad – synapse50 • Evolučně mladší • Většinový typ • Jednosměrný přenos • Synaptická štěrbina • Neurotransmiter http://www.slideshare.net/CsillaEgri/presentations Neurotrasnsmiter Úvod - buněčný podklad – synapse51 • Přítomen v presynaptickém neuronu • Uvolněn do synaptické štěrbiny následkem depolarizace presynaptického neuronu (Ca2+ dependentní mechanismus) • Postsynaptická membrána musí obsahovat specifické receptory http://www.slideshare.net/CsillaEgri/presentations Neurotrasnsmiter Úvod - buněčný podklad – synapse52 • Přítomen v presynaptickém neuronu • Uvolněn do synaptické štěrbiny následkem depolarizace presynaptického neuronu (Ca2+ dependentní mechanismus) • Postsynaptická membrána musí obsahovat specifické receptory http://www.slideshare.net/CsillaEgri/presentations Neurotrasnsmiter Úvod - buněčný podklad – synapse53 • Přítomen v presynaptickém neuronu • Uvolněn do synaptické štěrbiny následkem depolarizace presynaptického neuronu (Ca2+ dependentní mechanismus) • Postsynaptická membrána musí obsahovat specifické receptory http://www.slideshare.net/CsillaEgri/presentations Neuromuskulární spojení Úvod - buněčný podklad – synapse54 https://classconnection.s3.amazonaws.com/754/flashcards/2034754/png/ch_7_pic_41349381290275.png Úvod - buněčný podklad – synapse55 https://classconnection.s3.amazonaws.com/108/flashcards/956108/jpg/bookpic421333407057201.jpg 56 Úvod - buněčný podklad – synapse http://www.compoundchem.com/2015/07/30/neurotransmitters/ 57 Úvod - buněčný podklad – synapse http://www.compoundchem.com/2015/07/30/neurotransmitters/ Excitační/inhibiční postsynaptický potenciál Úvod - buněčný podklad – synapse58 http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations Sumace signálu Úvod - buněčný podklad – synapse59 http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations • Časová • Prostorová https://www.slideshare.net/drgabe/biological-psychology-synapses?from_action=save Sumace signálu Úvod - buněčný podklad – synapse60 https://www.slideshare.net/drgabe/biological-psychology-synapses?from_action=save http://www.geon.us/Memory/images/Summation.jpg Konvergence signálu Úvod - buněčný podklad – synapse61 http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations Průměrný počet synapsí na neuron u primátů ✓ Primární zrakový kortex (area17) – cca. 4 000 ✓ Primární motorický kortex (area4) – cca. 60 000 Divergence signálu Úvod - buněčný podklad – synapse62 http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations Úvod - buněčný podklad – synapse63 Networking http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations Úvod - buněčný podklad – synapse64 Networking http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations Úvod - buněčný podklad – synapse65 Neurotransmise vs. Neuromodulace • Přenos informace • Specifická • Receptory - Iontové kanály • Krátký účinek - Změny membránového potenciálu • Regulace aktivity NS • Difúzní (volume transmission) • Receptory – Pomalé G-proteiny • Déletrvající účinek - Změny vlastností synapsí atd. Úvod - buněčný podklad – synapse66 Neurotransmise vs. Neuromodulace • Přenos informace • Specifická • Receptory - Iontové kanály • Krátký účinek - Změny membránového potenciálu • Regulace aktivity NS • Difúzní (volume transmission) • Receptory – Pomalé G-proteiny • Déletrvající účinek - Změny vlastností synapsí atd. Úvod - buněčný podklad – synapse67 Neurotransmise vs. Neuromodulace • Přenos informace • Specifická • Receptory - Iontové kanály • Krátký účinek - Změny membránového potenciálu • Regulace aktivity NS • Difúzní (volume transmission) • Receptory – Pomalé G-proteiny • Déletrvající účinek - Změny vlastností synapsí atd. Úvod - buněčný podklad – synapse68 Neurotransmise vs. Neuromodulace • Přenos informace • Specifická • Receptory - Iontové kanály • Krátký účinek - Změny membránového potenciálu • Regulace aktivity NS • Difúzní (volume transmission) • Receptory – Pomalé G-proteiny • Déletrvající účinek - Změny vlastností synapsí atd. Acetylcholin Úvod - buněčný podklad – synapse69 • Nucleus basalis (Meynerti) a řada dalších jader • Nikotinové receptory • Muskarinové receptory http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations • Regulace spánku/bdění • Kognitivní funkce • Chování • Emoce Noradrenalin Úvod - buněčný podklad – synapse70 • Locus coeruleus • Nuclei raphe caudalis • Bdělost • Responzivita na nečekané podměty • Paměť • Učení http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations Dopamin Úvod - buněčný podklad – synapse71 http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations • Nigrostriatální systém – Pohyb – Senzorika • Ventrotegmentno-mesolimbicko-frontální systém – Systém odměny – Kognitivní funkce – Emoční chování • Tubero-infundibulární systém – Regulace hypotalamohypofyzárního systému • D1 receptory – stimulační • D2 receptory - inhibiční Serotonin Úvod - buněčný podklad – synapse72 http://www.slideshare.net/drpsdeb/presentations • Nuclei raphe rostralis • Nuclei raphe caudalis • Úzkost/relaxace • Impulzivnost • Spánek Neuromodulační systémy Úvod - buněčný podklad – synapse73 http://image.slidesharecdn.com/neuromodulationincogniti on-140119031056-phpapp02/95/neuromodulation-in- cognition-5-638.jpg?cb=1419657931 Neuromodulační systémy Úvod - buněčný podklad – synapse74 http://ausm.org.uk/wp-content/uploads/2015/02/Dopamine_Norepinephrine_Serotonin.jpg