Obecná fyziologie smyslů  Přes receptory vstupují informace do NS  Smysly jsou branami do vědomí.  Jak vedou k subjektivní zkušenosti?  Jakými fyziologickými pochody?  Otcové experimentální psychologie Ernst Weber 1795-1878 Gustav Fechner 1801-1887 Hermann Helmholtz (1858 – 1871) Transdukce Transformace Amplifikace Obecné principy  4 základní vlastnosti podnětu:  Modalita  Lokace („adresa“)  Intenzita  Trvání Modality – formy energie: chemická, teplotní, mechanická, světelná, elektrického a magnetického pole Vstup určuje Povahu (kvalitu) vjemu- Labeled lines A) Receptory B) Sensorické obvody a dráhy C) Sensorická percepce 3 úrovně organizace sensorických systémů A) Receptory Sensorická membrána a) mikrovili- mikroklky (vláskové buňky, vomeronasální chemorecepce, fotorecepce členovců) b) cilie – brvy, řasinky (čich v nosní sl., fotorecepce obratlovci) 3 úrovně organizace sensorických systémů Mikrovily, mikroklky Mikrofilamenta vláskové buňky, čich, vom., foto. členov. Cilie (brvy, řasinky) Mikrotubuly cilie (čich v nosní sliznici, fotoreceptory obratlovců) Cilia jsou produkována z bazálních tělísek z centriol, která jsou v dělících se buňkách nezbytná pro organizaci a separaci chromozómů. U tyčinek se clium organizuje a dává vznik vychlípeninám membrány. U tyčinek pak fúzuje membrána a měchýřky se odštípnou a tvoří vesikuly v cytoplasmě. U čípků není membránová fúze úplná, takže disky se neuzavřou. Difuzní model signálového přenosu x Signalplex (transducizóm), scaffolding proteins; Multimolekulární signalizační komplex zvyšuje rychlost a specifitu „rozhovorů Úloha cytoskeletu v signálních drahách recepčních buněk Úloha cytoskeletu v signálních drahách recepčních buněk Taková adaptace? Translokace TRP – mechanismus adaptace na tmu a světlo Úloha cytoskeletu v signálních drahách recepčních buněk Adaptabilita sluchu na rozsah intenzit Aktivní rezonanční aparát zesilující zvuky Obnova smyslové membrány Externí specializace Ochrana, podpora, účast na recepci Kódování signálu Kódování signálu Primární receptorSekundární receptor Kódování signálu – překódování intenzity do frekvence AP Spontánní aktivita a centrifugální řízení Jednoduchá receptorová buňka (primární receptor) Inervovaná receptorová buňka (sekundární receptor) Místa vzniku akčního potenciálu a speciální konstrukce synapsí (ribbon u sluchu) Ionotropní – přímá stimulace kanálu Metabotropní – stejně jako hormony, transmitery… Receptor ne vždy nutný – slano, MGP Weber-Fechnerův psychofyzický zákon S = a log I/I0 + b Weber gradually increased the weight that a blindfolded man was holding and asked him to respond when he first felt the increase Neplatí ale pro všechny modality. "is this sound twice as strong as that sound?" Stevens found that such results from different sensory modalities varied too much in "steepness" to be fitted by the Webner-Fechner law. Instead he introduced a formula with one more parameter, and therefore more flexible: R = k (S-S0)alfa Exponent závisí na typu stimulu Pain has a high value of a, reflected in a steep curve. In other words, once a stimulus is strong enough to elicit pain, the pain rapidly becomes stronger as the stimulus becomes stronger. The other modalities shown have successively lower a values, which means that they can cover much wider ranges of stimulus intensity. Sensorická adaptace Adaptace: inaktivace kanálů, často pod vlivem Ca, odstředivé tlumení z CNS Vliv přídatných struktur na adaptaci Paciniho tělíska Smyslový práh Zesílení, šum Časová a prostorová sumace sníží práh, ale zhorší rozlišení. Psychometrická křivka Cítění přes TRP kanály TRP – transient receptor potential TRP - 1969; Transient Receptor Potential – Přechodný receptorový potenciál, místo trvalé odpovědi na trvalé světlo TRP kanály kromě fotorecepce Dros. řídí mechanorecepci háďátka, octomilky, myši, člověka. Byly popsány v receptorech bolesti a teploty. U myši TRP zprostředkují vnímání některých chutí. UNIVERZÁLNÍ role ve smyslové transdukci Více než 50 TRP kanálů u kvasinek, hlístů, hmyzu, ryb a savců. A) Receptory B) Sensorické obvody a dráhy C) Sensorická percepce 3 úrovně organizace sensorických systémů Ještě před vznikem digitálního zápisu se informace na periferii zpracovává. Konvergence, receptivní pole, zpětná vazba, syntéza, centrifugální vedení Receptivní pole – různé velikosti Receptivní pole – různé velikosti Velikost se může dynamicky měnit-sítnice Shodná architektura sensorických drah – shodné požadavky Laterální inhibice Laterální inhibice Laterální inhibice Receptivní pole primárního a sekundárního neuronu. Optimální struktura pole pro maximální podráždění. Díky propojení drah vznikne detektor směru stimulu. Detektor směru stimulu Topografie drah a polí - Sensorické mapy - somatotopie - retinotopie - tonotopie - chemotopie Sensorické mapy - somatotopie - retinotopie - tonotopie - chemotopie Reprezentace odpovídajících si plošných, ale i neprostorových vlastností. Rychlost, směr, vůně .  Axony jednotlivých drah se kříží v centrální rovině před vstupem do thalamu.  Zraková, sluchová i somatosensorická dráha.  Čichová a chuťová dráha ne.  V rámci jedné modality vedou paralelní dráhy – možná kvůli větší rychlosti zpracování, možná různý původ.  Sluch: pozice zdroje a parametry zvuku jsou zpracovávány odděleně  Zrak: odděleně se vyhodnocuje barva, kontury, pohyb, pozice  Úkol pro CNS zpětně je integrovat do jednoho celku. Každý sensorický systém (kromě čichu) má svá specifická jádra v thalamu. A) Receptory B) Sensorické obvody a dráhy C) Sensorická percepce 3 úrovně organizace sensorických systémů Sensorický kortex Primární a sekundární (asociační, interpretační) oblasti kůry. Princip paralelních rysových analyzátorů – specialistů na linie, barvy, tóny, vzdálenosti, směry pohybu atd. Hierarchické skládání do celku http://sites.sinauer.com/wolfe3e/chap1/sensoryareasF.htm Co vnímáme, když slyšíme a vidíme? Psychofyziologie. Velká úloha zkušenosti a interpretace. Vjemy jsou automaticky zařazovány, aktivně interpretovány. Identifikace, emoce, paměť. Co vidíme? Kam se točí?  Vjemy z různých smyslů se integrují  Iluze s gumovou rukou – zrak a hmat spolupracují na vnímání polohy těla v prostoru  http://sites.sinauer.com/wolfe3e/chap13/r ubberhandF.htm Mechanorecepce - Mechanické podněty mohou zapínat a vypínat geny. V mnohobuněčné tkáni je každá buňka v kontaktu se svými sousedkami i s okolní extracelulární hmotou prostřednictvím mnoha typů přilnavých molekul, které přenášejí mezi buňkami nejen chemické signály, ale i síly mechanické a deformační. Většina buněk není schopna dlouhodobého života, pokud postrádá mechanické kontakty, ať už s okolními buňkami nebo s pevným povrchem. - Mezenchymální kmenové buňky nasazené na podložky různé mechanické tuhosti diferencují na různé buněčné typy. Na měkkých podložkách se mění v neurony, na středně tuhých podložkách ve svalové buňky a na nejtvrdších v kostní buňky. (Vesmír 3, 2010) •Vedle chemorecepce nejstarší smysl. •Odhaluje podstatné vlastnosti prostředí. Sluch, hmat, rovnováha, zrychlení, propriorecepce, osmorecepce, hygrorecepce? magnetorecepce? •Konzervativní molekulární mechanismus •Typicky rychlé, ionotropní řízení kanálů, ale: Mechanorecepce může přímo řídit expresi Např. růst svalů (IGF –insulin-line growth factor) Moyes Cells are continuously subjected to mechanical forces that influence cell division, gene expression, cell migration, morphogenesis, cell adhesion, fluid homeostasis, ion channel gating and vesicular transport. The rapidly growing field of mechanobiology is focused on investigating the influence of mechanical forces on cellular and molecular processes. The primary motivations of mechanobiological investigations are to uncover the mechanisms that enable cells to sense, transduce and respond to mechanical stimuli, as well as to characterize the mechanical properties of molecules and cells. Nanoscopic changes in plasma membrane stress and tension can influence ion channel activity, synaptic vesicle clustering, neurotransmitter release and axonal growth cone dynamics. NATURE REVIEWS | NEUROSCIENCE VOLUME 13 | DECEMBER 2012 Mechanical forces are generated and transduced in neurons. a | The cell body of a neuron, showing cellular and molecular components that transduce or sense micromechanical forces. The components illustrated, such as the plasma membrane, ion channels, actin filaments, microtubules, neurofilaments, motor proteins, spectrins, integrins, extracellular matrix, lipid rafts and osmolarity, have key roles in neuronal and glial function. b | A neuron or glial cell showing several properties of plasma membranes, including the bending (KB), compression (KC) and area expansion (KA) moduli. Stalling (Fstall) and buckling (Fbuckle) forces act on actin filaments, and microtubules and neurofilaments interact and exert pushing (Fpush) and pulling (Fpull) forces. Adhesion forces (Fadhesion) generated by cell adhesion molecules, such as integrins and cadherins, couple cells together. In addition, interaction (Finteract) and hydrophobic matching (Fmatch) forces are generated by the inclusion of a protein, such as an ion E. Coli jako model pro výzkum molekulárního mechanismu MscL kanál. Největší známý kanál 2,5nm. Chrání proti nárazům osmolarity, signál růstu. Savčí osmosensitivní buňka hypotalamu – napojení na hormonální osy vodního hospodaření. Paramecium 1906 - vpředu jinak než vzadu 1969 – potenciály Ca tok vpředu, K vzadu Caenorhabditis elegans (háďátko) 960 buněk 302 neuronů 1998 genom Jemný dotek na hlavu způsobí obrácení pohybu a dotek na zadní část způsobí pohyb vpřed. Byl zkoumán velký počet mutací, které způsobí poruchu tohoto základního chování. Bylo vytipováno 15 genů, které způsobí ztrátu mechanosensitivity, aniž by byla zasažena schopnost pohybu. Dostaly jméno mec geny a proteiny, které kódují MEC proteiny. 6 hmatových neuronů se svazky mikrotubulů Po vyřazení kolchicinem, laserem, mutacemi ztráta citlivosti Uvnitř mikrotubuly, vně kutikula Když byla prokázána ztráta citlivosti u některé mutace, zjišťovalo se, který to byl gen a která bílkovina. Bylo definováno několik proteinů tvořících kationtový kanál. Jak MEC-4 tak MEC-10 patří do velkorodiny příbuzné s podjednotkami savčího Na kanálu. Když jsou MEC-4 a MEC-10 exprimovány v oocytu Xenopus je možné pomocí voltage clamp měřit jejich otevření – proudy při určitém potenciálu. Žádné napěťově sensitivní kanály se pak neuplatňují a všechny změny iontových toků jdou na vrub mechanickému podráždění. - další význam Voltage clamp pro membránovou fyziologii MEC-4 protein Proud výrazně vzroste, když se exprimuje ještě i MEC-2. Podobně je to s MEC 6 kou. Jak je tedy celý komplex pospojován dohromady není dosud zcela jasné, ale pravděpodobně MEC-1, MEC-5 a MEC-9 jsou organizovány tak, že přenášejí tlak z kutikuly na MEC-4 a otevírají Na kanál. Tento mechanický přenos je funkční jen tehdy, když je kanál ukotven z intracelulární strany na mikrotubuly cytoplasmy. Dále se uplatní MEC 7 a 12 což jsou tubuliny, 5,1,9 jsou extracelulární, exkretované do prostoru okolo sensorických výběžků. Behaviorální skríning a elektrický záznam z brvy Mutanti NompA a C Necitliví na dotek, ale i nekoordinovaní a hluší NompA je extracelulární kotva a NompC je TRP kanál Drosophila: TRP kanál Shodný předek s vláskovými buňkami obratlovců Obecné schéma mechanorecepce: Ionotropní, ukotvený, adaptabilní Inaktivovatelný Propriorecepcesomatický smysl S exoskeletem – Hmyz Kloubní spojení a proprioreceptory Plošky hmatových chlupů Svalová propriorecepce raka, pod pokožkou larev hmyzu Jiný typ recepční buňky – multipolární neuron s dendrity plnými mikrotubulů Aktivní zvířata potřebují informace o poloze těla a končetin S exoskeletem odlišně od endoskeletu Svalová propriorecepce raka Dost velké pro elektrofyziologii V- clamp Patch clamp a řízení tlaku v pipetě Propriorecepce u endoskeletu soustředěna na Svalová vřeténka Šlachová tělíska Spolu se zrakem a kožním čitím a vestibulárním aparátem dodávají obraz o poloze těla Život bez „obrazu o vlastním těle“ S.v.- regulace délky Svalu Eferentní inervace Š.ť. – ochrana před přepětím Taktilní kožní receptory – smysl pro dotek a hmat, teplotu a bolest Tlak, dotyk, vibrace. Různá adaptace receptorů Receptory on-line http://www.sinauer.com/wolfe3e/chap12/ssreceptorsF.htm Velikost receptivních polí Pomalá adaptace na čití tvaru – co držíme, co čteme Brailleovým písmem. Rychle adaptující – nízkofrekvenční kmity a vibrace – struktura a forma – lépe poznáme předmět a povrch, když s ním v ruce pohybujeme. Paciniho na vysoké frekvence – náhlé podráždění – jemné závany vzduchu. Paciniho tělísko a vliv kapsule na adaptaci Bolest a teplota Vstup dorzálními kořeny a laterálním sensorickým traktem do mozku Bolest a teplota Ostrá a tupá bolest Dotek, vibrace, svaly Vstup dorzálními kořeny a dorzálními sloupci do mozku Proprioreceptory Vstup dorzálními kořeny a spinocerebrálním traktem do mozku Somatotopie Sensorické dráhy Somatotopie Vstup do talamu Somatotopie talamu Somatotopie somatosensorické kůry Somatotopie somatosensorické kůry -Fantomová bolest http://sites.sinauer.com/wolfe3 e/chap13/homunculusF.htm Vertikální členění kortexu Sloupečky somatosensorické kůry odpovídající submodalitám Plasticita somatosensorické kůry Reprezentace se mění podle používání Houslisté, slepci