Šíření signálu a synapse Síření signálu a synapse Synapse, místa přerušení elektrického vedení. AP a místní potenciály. Zpomalení, převod na chemickou řeč. Neurony tedy nekomunikují pouze AP, ale i chemicky. Obecná citlivost neuronů i na chemickou modulaci. Existuje i mimosynaptický přenos - informační polévka. Prostor pro zpracování informací. Plasticita a paměť Od místa vzniku k dalšímu neuronu. Šíření podél membrány. Kromě příčného i podélný tok iontů. Záleží na průměru. Propagace, voltage clamp ► Myelination of PNS and CNS Axons Šíření podél membrány. žabí myelinizovaný neuron má při 20°C a 12um rychlost vedení 25m/s. Nemyelinizovaný neuron sépie musí mít Zá|eží i na mye|inizaci. pro stejnou rychlost průměr 500um! Je to 40x menší průměr a 1600x plocha. Kat ionty Synapse far. 4. ?. Sekvence- dejú pri p ředin ľ akčního potenciálu (AP) pro-kl středni ctvím mediátoru na chemické synapsi. a} přicházející AP depolarizuje synaptický knoflík, b} otevírají se vápníkové kanály a Ca2+ proudí do nitra knoflíku, c) to vyvolá exocytozu granul s me-diátorem, d} rnediátor se váže na receptory postsynaptické membrány, e} následuje otevřeni kanálu pro kationty a jejich vtok způsobí místní depolarizaci, f} na napétbvé citlivém okolí synapse mohou vzniknout novéAP. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1970 "for their discoveries concerning the humoral transmittors in the nerve terminals and the mechanism for their storage, release and inactivation" Sir Bernard Katz 1/3 of the prize United Kingdom University College London, United Kingdom Ulf von Euler ■2:: 1/3 of the prize Sweden Karolinska Institutet Stockholm, Sweden Julius Axelrod 1/3 of the prize USA National Institutes of Health Bethesda, MD, USA b. 1911 d. 2003 b. 1905 d. 1983 b. 1912 d. 2004 Sir Bernard Katz, 1970 Kvantovaný přenos Second messengers, synapses Receptor je součástí kanálu - ionotropní signalizace nebo spojen s kanálem kaskádou signálů - metabotropní signalizace A. Chemická synapse Ca se váže na synaptotagmin, Ten vyvolá interakci syntaxinu + SNAP 25 se synaptobrevinem = exocytóza. VImiTiu iranrihrnnr - b ouehujl- ShiImui SNaP-25 ttÍThaiiňt-l HEUROBfOLOGY Gary G. Mantisws ta? aktivní zóna - Synapsin aktivní zón ě signálníretěřee/ ^+ ^ 7 @(Na) ^ = znovuhromadění v navázání transmiteru na receptory i EPSP, EPSPř EPSP, sumace > E 0 i J post syna pti c ký akční potenciál i: 51 (it) Overview of vesicle recycling (b) Retrieval of the vesicular membrane —-->- Classical In the classical pathway, the vesicular membrane completely fuses with the presynaptic membrane, then is retrieved by endocytosis. —■--*- Kiss-and-run In the kiss-arid-run pathway, synaptic vesicles fuse to the membrane only at a narrow fusion pore. Syntéza v knoflíku nebo v těle neuronu nthesřs Prscursor chemicaJs Neurotransmitter I Storage Release - Et Ukončeni působeni transmiteru příjem zpět mimo synapsi príjem zpét pfwyrjapticků zakončení inhíbfce exocytózy 9xt 9cA autoreceptor posís/TTOpr/dtrí buňko enzymatické odbourávaní transmiíeru rychlá inaktivace kat iontového kanálu fdwenzltízace) napf.gihvá buňka unik difúzi interna lizace receptoru a b Q mV -70 mV Figure 11 Molecular nanoswitches. Schematics illustrating how ion channels open and close, with associated, single-channel recordings. Opejiing and closing of the channel are random events, but the frequency with which they occur is influenced by, for example, Hgand-binding (a) or transmembrane voltage (b). The transition rale between open and closed states is <10 us. The flux rate through I he pore when it is open is of the order of 10' ions per second; that mediated by the coupled exchangers is substantially smaller (see p. Following opening, some voltage-gated channels enter an inactivated (non-conducting) stale in which they are refractory to subsequent depolarization (b). Patch-clamp záznam ionotropního receptoru. Nemusí být jen excitační, jsou i inhibiční transmitery. D, Vliv IPSP na postsynaptickou excitaci excitační transmiter mV -70 j \ EPSP -90 J X. IIIS n h i bující transmiter ..zkrať přes K+-kanály neboCľ-kanály by per polarizace postsynaptKký neuron elektrotonícké proudy hyperpolarizují axonový hrboiek kaxoriovému hrbolku Parasympatikus na myokardu lLVal^iulkj b NEUROBIOLOGY Gary G. Matthews: _FinrwHirrailriK AC* p4H Srovnání dvou typů elektrické řeči. Table 4-2 1 Comparison of Graded Potentials and Action Potentials Graded Potentials Graded potential change; magnitude varies with magnitude of triggering event Decremental conduction; magnitude diminishes with distance from initial site Passive spread to neighboring inactive areas of membrane No refractory period Can be summed Can be a depolarization or hyperpoiarization Triggered by a stimulus, by combination of neurotransmitter with receptor, or by spontaneous shifts in leak-pump cycle Occurs in specialized regions of membrane designed to respond to the triggering event Action Potentials AU-or-none membrane response; magnitude of triggering event code in frequency rather than amplitude of action potentials Propagated throughout membrane in undiminishing fashion Self-regenerating in neighboring inactive areas of membrane Refractory period Summation impossible Always depolarization and reversal of charges Triggered by depolarization to threshold, usually through the sprea* of" a graded potential Occurs in regions of membrane with an abundance of voltage-gate< Na+ channels Vzdálenější vstupy ale nejsou diskriminovány! Synaptické stupňování a „volání nazpět" (lutamovi Excitační x inhibiční Mimosynaptický přenos (presynaptická inhibice/potenciace) Klasické transmitery a Neuroaktivní peptidy - neuromodulátory, kotransmitery Table 4-4 I Comparison of Classical Neurotransmitters and Neuropeptides Characteristic Classical Neurotransmitters Neuropeptides Size Site of synthesis Site of storage Site of release Speed and duration of action Site of action Small- one amino acid or similar chemical Cytosol of synaptic knob In small synaptic vesicles in axon terminal Axon terminal Rapid, brief response Subsynaptic membrane of postsynaptic cell Usually alter potential of postsynaptic cell by opening specific ion channels Large; 2 to 40 amino acids in length Endoplasmic reticulum and Golgi complex in cell body; travel to synaptic knob by axonal transport In large dense-core vesicles in axon terminal Axon terminal; may be cosecreted with neurotransmitte Slow, prolonged response Nonsynaptic sites on either presynaptic or postsynaptic ceils at much lower concentrations than classical neurotransmitters Usually enhance or suppress synaptic effectiveness by long-term changes in neurotransmitter synthesis or postsynaptic receptor sites A. Biosynthesis B. Transport D. Insertion C, Storage (5b) Membrane Recycling Transmitter Reuptake i__» -H© Hydrolysis (?) Receptor Binding (w) Conductance Change B'. Transport Inhihkiny terminal nuuTiu iyn;ip^ iMi csc iliiiyry synjpciL Icrrninjl Presynaptickä synapse b Rkk±mt NEUROBIOLOGY Gary G. Matthews Účinky na psychiku Účinky neurotransrniterů prostřednictvím synaptického prenosu ti&urotransrn iter serotonin acetylcholin g-aminom áselná IJJ dostupnost (aktivita : deprese | antidepresivum Alzheimerovanemoc; inhibitory acetylcholínesteráiy, l která odbourává acetylcholin úzkost : anxiolytika (usnadňují účinek kyselina (GABA); j (tzv generalizovaná) \ kyseliny g-arninomáselné) dopamin ÍL t pozitivní pnznaky | schizofrenie antipsychotika (blokují účinek dopaminul Paměť learning histoi Descartes (1596-1650): "When the mind wills to recall something, this volition causes the little gland (the pineal), by inclining successively to different sides, to impel the animal spirits towards different parts of the brain, until they come upon that part where the traces are left of the thing it wishes to remember." Ramon y Cajal (1894)"... mental exercise facilitates a greater development of the protoplasmic apparatus and of the nervous collaterals in the part of the brain in use. In this way, pre-existing connections between groups of cells could be reinforced by multiplication of the terminal branches of protoplasmic appendices and nervous collaterals." D,0, llebb (1949) "coincident activity" iniliales the growlh of new synaptic connections as part of long-term memory slorage, "reveTbalory circuit" for short-term memory. Lashley (1963) Lesioning ml hrains, trained lo negotiate a maze. No evidence of localization of memory, memory deficits were related to the extent of the lesions. Lead to his theory of mass action J Podle: http://web.neurobio.arizona.edu/gronenberg/nrsc581/index.html Paměť idea: molecules contain memory (transfer of molecule transfers memory) Holger Hyden: new specific RNA is created for each memory. Hyden's hypothesis implied that the patterns of stimulation activated by learning could introduce changes in RNA. (current interpretation: long term learning requires protein synthesis) G Unger: memory specific peptide scotophobin. Could inject/transfer fear of the dark from rat to mouse. (Turned out to inhibit melatonin synthesis in pineal gland, and somehow that creates scotophobic behavior) McConnell (1966). Classical conditioning of flatworms. Feed trained worms to untrained ones. Untrained ones show conditioned response (or learned faster). Same for T-maze experiments. But: random shocks had same effect than conditioning. Opakování matkou moudrosti a Synaptická plasticita • Kromě rychlého synaptického přenosu existuje i pomalý. Bombardování synapsí vzruchy po druhých poslech a rychlém, kanály řízeném přenosu, vzbudí posléze i třetí posly, časné geny a expresi dalších jgenu, které syntetizují látky potřebné ke splnění poselství doručeného přes synapsi. Rychlý přenos trvá několik milisekund, zatímco pomalý od sekund po hodiny. Pomalým přenosem pozměněný metabolismus a stavba synapsí mají dopad na množství základních funkcí NS např. poplachové reakce na stres, účinky drog a farmak, změny při ukládání paměťové stopy. • Zda je jpodkladem učení a paměti, zUstává předmětem debat Úrovně synaptické plasticity neuronové sítě Before training (rt) Changes involving synaptic transinitte A Iter training Axon terminal x Dendritic: spine psp Postsynaptic receptive area (b) Changes involving interneuron modulation P Mora transmitter is released from the axon terminal. Postsynaptic membrane becomes larger and/or more sensitive to transmitter. (c) Formation of new synapses Iiitenteuron modulation causes increased transmitter release. (if) Rearrangement of synaptic input Shift in synaptic input Increased PSP Synapse enlarges both pre- and postsynaptically. Tlie end result is increased PŠP 18.2 Synaptic Changes That May Store Memories After training, each action potential in the relevant neural circuit causes increased release Of transmitter molecules (red dots). The postsynaptic potential (PSP) therefore increases in size (as indicated by the graphs), (a) An increase in 5ize of the postsynaptic receptor membrane causes a larger response to the same amount of transmitter release, (fa) An interneuron modulates the polarization of the axon terminal and causes the release of more transmitter molecules per nerve impulse, (c) A neural circuit that is used more often increases the number of synaptic contacts, (cf) A more frequently used neural pathway takes over synaptic sites formerly occupied by a less active competitor. Různé typy modifikací Možná místa modifikací na presynaptické straně Synaptická plasticita Donald Hebb, 1949 LTP - dlouhodobá potenciace, 1983, 100Hz LTD - dlouhodobá deprese, 3 Hz 554 CHAFnjR 13 NMDA ionotropní receptor potřebuje k aktivaci a)ligand, b)silnou depolarizaci. S narušenými NMDA receptory se ztratila schopnost prostorového učení. Synaptická plasticita Potenciace: A. Sumace-podobná svalové B. Facilitace-změna účinnosti C. Deprese ttfihtIkl^lii: QlIlOI fV^MLlUjir UJULLU Potenciace ľľE'iviií pulunlulKU Pi4fb>nuplk l\"!-!r-_\i;d;i|j 'J ^niiiEI Ľ_jT.S.p. 11111 u I pni c ľ J "ň íLlí I HiJ-hiuplLO lL-.-jh:- I li rí j- ; i C i ■ .■ i i 1 hitur Lxltfr V ].aiTJĽ Ľ.pJä.p. Pcpn|iiri an j current ipijfĽla3 in pniflsjTiDpiiccclF The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2000 "for their discoveries concerning signal transduction in the nervous system" Arvid Carlsson 1/3 of the prize Sweden Göteborg University Gothenburg, Sweden Paul Greengard 1/3 of the prize USA Eric R. Kandel 1/3 of the prize USA Rockefeller University Columbia University New York, NY, USA New York, NY, USA b. 1923 b. 1925 b. 1929 (in Vienna, Austria) Habituace a sensitizace u zeje Aplysia californica ... a žábra se stáhnou Obranná reakce stažení žaber Aplysia 100 h 80 - 60 - 40 h 20 i 0 0123456789 10 Trial number Habituace u ApIvsia .. .a žábra se stáhnou Obranná reakce stažení žaber Aplysia 100 80 60 40 h 20 0 T 1 0123456789 10 Trial number Obranná reakce stažení žaber Aplysia 100 i 80 - 60 - 40 h 20 h 0 T 1 T 1 1 T 1 T 1 T 1 T 1 T 1 0123456789 10 Trial number Habituace u Aplysia .. .a žábra ukážou téměř žádnou reakci habituation - measuring the effectiveness of synaptic transmission decrease of number of transmitter vesicles from the presynaptic sensory neuron_____ Control Habituated Siphon Sensory neuron Interneurons Excitatory Motor neuron Sensory neuron Habituated from: Kandel, Schwartz, Jessell: Principles of T short-term habituation (1x10 stimuli): synaptic depression long-term habituation (4x10 stimuli over hours or days): reduction of synaptic contacts Record/ stimulate L Li eile rod find ^tage CC) Right connective Motor neuron I -eft connective neuron Cerebral ganglion Pleural ganglion Pedal ganglion fail SN 1 Tail 5N2 Tail MK Movement detector Siphon MN abdominal ganglion M v\ -'dm on t dettjftor Stimulus 10.8 Experimental preparations for cellular analysis The cellular basis of gill and siphon withdrawal can he studied at several levels of analysis. (A) In the most intact preparation the abdominal gangiion is externalized, and recordings from neural elements are made during reflex actions- (B) In what is known as the semi-intact preparation/ the entire central nervous system (CNS) is removed. In some cases peripheral organs (such as the gill, siphon, .and tail) are left attached to the CNS by their peripheral nerves. (Q In a third preparation, single ganglia (or pairs of ganglia) are removed- Recordings are made from identified neurons in the neural circuit for siphon and gill (A) Buccal gangJion Cerebri ganglion Pleura! ganglion PedaJ ganglion Abdominal ganglion Siphon Habituace • Každý dotek na sifon stále vyvolá akční potenciál, vylití mediátoru na synapsi a vznik postsynaptického potenciálu • Každý AP vyvolává uvolnění méně mediátoru (glutamát) na motorický neuron •Méně glutamátu způsobí pokles odpovědi motorického neuronu A. THE REFLEX BEHAVIOR Water B. ELECTROPHYSIOLOGICAL ANALYSIS Experimental Set-up Recordings Before and After Habituation Krátkodobá habituace díky inaktivaci Ca kanálů. C. CONCEPTUAL MODELS SHORT-TERM HABITUATION LONG-TERM HABITUATION Normal Habituated Normal Habituated Sensitizace Sensitizace je zvýšení citlivosti organizmu k opakovanému dráždění původně neutrálním podnětem následující po dráždivém podnětu Když je podnět nepravidelný Podnět velké intenzity Představuje celkové vybuzení, excitaci organizmu Obyčejně je krátkodobá Sensitizace u Äplvsia Obranná reakce stažení žaber Aplysia 250 200 150 h 100 50 T 1 T T 1 T 1 1 T i/1 1 1 0123456789 10 Trial number A. EXPERIMENTAL SET-UP DEMONSTRATING SENSITIZATION Sensitizing Stimulus Habituation Sensitization Gill Normal N Size Habituated Sensitized Sensory Neuron Motor Neuron Control in TEA x Sensitized by \ Stimulation, \ 5HT. CAMP Intracellular Recordings C. CONCEPTUAL MODELS SHORT-TERM SENSITIZATION LONG-TERM SENSITIZATION Normal Sensitized A) Krátkodobé zesílení zatahovacího reflexu (způsobené slabým podrážděním regulační synapse - vlevo), vyvolá krátkodobou fosforylaci iontových kanálů a větší výlev přenašeče. B) Silnější a dlouhodobější dráždění způsobuje dlouhodobou fosforylaci a syntéza strukturních proteinů vyvolá morfologické zvětšení synapse a efekt většího výlevu zůstává trvalý. Ad A) Kratkodobe zesileni - 3 cesty: Serotonin acts on tw< receptors Gs: cAMP -> PKA G0: DAG ->PKC PKA (PKC) 1 decreases K+ currer (longer AP, more Ca^) phosphorylates channel 2I22i mobilizing vesicles, facilitating release 3/3a opening of Ca^ channels Ad A) Krätkodobe zesileni - 3 cesty: Serotonin acts on twi receptors Gs: cAMP -> PKA G0: DAG ->PKC 1 decreases K+ cum (longer AP, more Ca^) phosphorylates ! Three molecular targets involved in presynaptic faciliation L-iype Ca' channel channel i 2/2a mobilizing vesicles, facilitating release 3/3s opening of Ca^ channels Ad A) Kratkodobe zesileni - 3 cesty: Serotonin acts on two receptors Gs: cAMP -> PKA G0: DAG ->PKC PKA (PKC) 1 decreases K+ current (longer AP, more Ca^) phosphorylates channel 2/2a mobilizing vesicles, facilitating release 3/3a opening of Ca channels Asociativní učení •Vzniká spoj (asociace) dvou různých podnětů 1. Klasické podmiňování •Nepodmíněný podnět a indiferentní podnět 2. Instrumentální (operantní) podmiňování •Nepodmíněný podnět a vlastní aktivita živočicha Podmiňování Podmiňování Podmiňování zřejmě také využívá mechanismus presynaptického zesílení při synchronní a opakované aktivaci Ad a Ná. odpověď Aktivačně závislá neuromodulace PP - Podmíněný podnět NP - Nepodmíněný podnět Classical conditionin gJutamatc 5 nv> NMDA roceplors motor neuron ghi t ;i m :H c receptors Ca2 kanál 1. Po předchozí aktivaci PP zvýšená hladina Ca+ 2. Aktivace kalmodulinu 3. Vyšší hladina cAMP 4. Blokace K+ kanálů 5. Delší depolarizace 6. Delší influx Ca+ 7. Větší výlev mediátoru membrána terminála NP neuronu receptor NEAKTIVOVANÝ PP NEURON presynaptická terminála PP neuronu G-protein adenylatcyklasa cAMP VA immmm,. PŘEDCHÁZEJÍCÍ AKTIVACE PP NEURONU (B) Cfassica! conditioning CS+ PATHWAY (preceding activity) Presy nap i i c m cm hra ne Ca2+ channel (open by cic tí v i ty) 1. Po předchozí aktivaci PP zvýšená hladina Ca+ 2. Aktivace kalmodulinu 3. Vyšší hladina cAMP 4. Blokace K+ kanálů 5. Delší depolarizace 6. Delší influx Ca+ 7. Větší výlev mediátoru ■ ■ • Serotonin Receptor long-term sensitization/memory persistent activity of sensory cell a PKA+MAPK translocate to nucleus a PKA phosphorylates CREB-1 (activator of transcription) a MAPK inhibits CREB-2 (inhibitor of transcription) a Ubiquitin hydrolases proteolyses regulatory PKA subunit a PKA persistently active Long-tťriii i-ig. I. Schoniiit ic rop rosen tat i on summarizing the molecular events lading to short and long-Kim memory. CaMKIK CaMK.1V, calcitiin-caImodulin-dependent kinases II and IV: CREB, cAMP response clement binding proloin: MAPK, mitogen activated protein kinase: PKA. cAMP-dependent protein kinase: NT. neurotransmitter. coincidence detection Siphon touch (sensory input) 1 Ca2* Tail shock (modulating input) I 5HT receptor .-v: i - ■ v ■. neuron) CaJ+/CaM (sensory neuron) ots.GTP Ca3" /CaM siimuhtbte AC ft cAM? Olfactory cues (sensory input) Ca2* 1 Ca3* /cm Footsbock (sensory input) Gs-caup)ed receptors (DA or 5HT) (modulatory neuron) tt,.GTP 1 (mushroom body neuron) Ca1' /CaM stimulate AC ^/cAMP Depolarization of the sensory neurons prior to exposure to 5111 Increases levels of cAMP over those seen when CS and L'S are unpaired. It has been suggested that t"a2+ influx resulting from CS could converge upon CaZ+calmodulin sensitive-AC and increase the cAMP level produced by 5HT. In this case, the Apfysia adenylyl cyclase is activated by both Ca2+calmodulin and fi'l'Pgs (a GTP analog that mils by binding in as), and thereto™ acts as a cuin tide nee detector that is sensitive la the timing and order of stimuli. Změny při podmiňování i na postsynaptické části Přestavba pře i postsynaptické části synapsí A. PROJECTION NEURONS B. INTRINSIC NEURONS