ŠÍŘENÍ SIGNÁLŮ 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 Šíření signálů a synapse Vesmír atd. Propagace, voltage clamp Od místa vzniku k dalšímu neuronu. Šíření podél membrány. Kromě příčného i podélný tok iontů. Záleží na průměru. Šíření podél membrány. Záleží i na myelinizaci. Žabí myelinizovaný neuron má při 20°C a 12um rychlost vedení 25m/s. Nemyelinizovaný neuron sépie musí mít pro stejnou rychlost průměr 500um! Je to 40x menší průměr a 1600x plocha. nemyelinizovaný myelinizovaný Synapse Synapse Synapse v kontextu buněčných spojů 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 Ulf von Euler Julius Axelrod 1/3 of the prize 1/3 of the prize 1/3 of the prize United Kingdom Sweden USA University College London, United Kingdom Karolinska Institutet Stockholm, Sweden 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 Akční potenciál vyvolá vyplavení transmiteru. Synapsin = znovuhromadění v aktivní zóně Receptor je součástí kanálu – ionotropní signalizace nebo spojen s kanálem kaskádou signálů – metabotropní signalizace Coatomer clathrin nutný pro udržení tvaru vesikulu Finální syntéza v knoflíku (rychlá transmise) nebo v těle neuronu – axonální transport (pomalá) Místní recyklace vesikul je rychlejší než transport z Golgiho a. Spolupráce endosomu a vesikulu. Synaptický vesikul: Import transmitteru na přenašeči hnaném H+ gradientem. Ca se váže na synaptotagmin, Ten vyvolá interakci syntaxinu + SNAP 25 se synaptobrevinem = exocytóza. Ca2+ dále aktivuje proteinkinázu II závislou na kalcium-kalmodulinu, která aktivuje v presynaptickém zakončení enzym synapsin, díky kterému se vezikuly znovu hromadí v aktivní zóně. Buněčný spoj s mnoha kotvami napojenými na „lešení“ Postsynaptická strana - detail Ach receptor je ionotropní. Je to pentamer, podobný receptoru pro serotonin, GABA, glycin. Avšak Glut. receptor je tetramer, podobný K kanálu. Patch-clamp záznam ionotropního receptoru. Ach receptor je součástí kanálu. Je rychlý: Přechod mezi otevřeným a zavřeným stavem je < 10us. Když je otevřený, projde jím 107 iontů / s. Metabotropní Signalizace na postsynaptické straně Parasympatikus na myokardu Metabotropní Signalizace na postsynaptické straně Sympatikus na myokardu Nemusí být jen excitační, jsou i inhibiční transmitery. Postsyanptická strana: Odstupňovaný potenciál Vedení s dekrementem Postsynaptická strana: Prostorová a časová sumace Postsynaptická strana: Prostorová a časová sumace Srovnání dvou typů elektrické řeči. Na iniciálním segmentu se velikost depolarizace překódovává na frekvenci AP. Aby tuto speciální fukci axonový hrbolek plnil, musí tu být kromě Na kanálu citlivého na napětí ještě další 4 typy iontových kanálů: 3 selektivní pro K+ (zpožděné, rychle inaktivující a Ca-aktivované); a 1 typ selektivní pro Ca. Zpožděné K+ vrací membránu ke K+ klidovému napětí – repolarizují po depolarizaci. Trvalý podnět tedy vyvolá trvalé „pálení“. Aby se ale vyšší depolarizace převedla na vyšší f AP, musí tu být rychle inaktivující K+ kanály. Ty se také otevírají při depolarizaci a inaktivují se, ale úměrně k ní, takže zůstávají dlouho otevřené a snižují frekvenci AP u depolarizace těsně nad prahem, ale u větší depolarizace se inaktivují dříve, počet otevřených K kanálů je tedy nižší (tím méně se uplatňují) a frekvenci AP netlumí. Ca a Ca dependentní K kanály se uplatňují při adaptaci – při reakci axonu na trvalou depolarizaci. Jak je membrána dlouhodobě depolarizována, roste počet Ca iontů vniklých přes napěťově sensitivní Ca kanály. To vede k otevření K kanálů a tak se membrána hyperpolarizuje. Frekvence AP při trvalé nepřerušované stimulaci klesá. Reaguje tedy lépe na změnu než na trvalý podnět. Na iniciálním segmentu se velikost depolarizace překódovává na frekvenci AP. Aby tuto speciální fukci axonový hrbolek plnil, musí tu být kromě Na kanálu citlivého na napětí ještě další 4 typy iontových kanálů: 3 selektivní pro K+ (zpožděné, rychle inaktivující a Ca-aktivované); a 1 typ selektivní pro Ca. Zpožděné K+ vrací membránu ke K+ klidovému napětí – repolarizují po depolarizaci. Trvalý podnět tedy vyvolá trvalé „pálení“. Aby se ale vyšší depolarizace převedla na vyšší f AP, musí tu být rychle inaktivující K+ kanály. Ty se také otevírají při depolarizaci a inaktivují se, ale úměrně k ní, takže zůstávají dlouho otevřené a snižují frekvenci AP u depolarizace těsně nad prahem, ale u větší depolarizace se inaktivují dříve, počet otevřených K kanálů je tedy nižší (tím méně se uplatňují) a frekvenci AP netlumí. Ca a Ca dependentní K kanály se uplatňují při adaptaci – při reakci axonu na trvalou depolarizaci. Jak je membrána dlouhodobě depolarizována, roste počet Ca iontů vniklých přes napěťově sensitivní Ca kanály. To vede k otevření K kanálů a tak se membrána hyperpolarizuje. Frekvence AP při trvalé nepřerušované stimulaci klesá. Reaguje tedy lépe na změnu než na trvalý podnět. Analýza tisíců vstupů. Vzdálenější vstupy ale nemusí být diskriminovány! Synaptické stupňování a „volání nazpět“ Mediátory Eric Kandel sumarizoval výsledky své práce na receptorech: • Způsob účinku synapse není determinován transmiterem, ale vlastnostmi receptoru na postsynaptické buňce. • Receptory na postsynaptických (přijímacích) buňkách jediného presynaptického neuronu mohou být farmakologicky odlišné a mohou řídit různé iontové kanály • Jediná přijímací buňka může mít více než jediný druh receptoru pro daný transmiter, přičemž každý receptor může řídit jiný mechanismus iontové propustnosti. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2000 Stejný mediátor, ale různé dráhy a opačný účinek. Příklad noradrenalinu Existuje i mimosynaptický přenos (presynaptická inhibice/potenciac Mozek lze pokládat za žlázu s vnitřní sekrecí, která si své hormony produkuje sama. Pro rychlé procesy zajišťující jednotlivé funkce užívá synaptický přenos, kdežto pro celkové nastavení úrovně aktivity mimosynaptický. Mimosynaptický přenos je podobný způsobu, jímž se k svým cílům dostávají hormony. Rozdíl je jen v tom, že hormony se dopravují cévami v krevním proudu, kdežto neurotransmitery plují mozkem v mozkomíšním moku. Klasické transmitery a Neuroaktivní peptidy – neuromodulátory, kotransmitery Receptory nejen na dendritech a těle: Presynaptická synapse Důsledek obecné chemické sensitivity neuronů: Účinky psychoaktivních látek např. na psychiku Synapse jsou nejen chemické, ale i elektrické It was thought that electrical synapses were more abundant in invertebrates and cold-blooded vertebrates than in mammals. However, a wealth of data now indicate that electrical synapses are widely distributed in the mammalian brain In addition to the retina, inferior olive and olfactory bulb, structures in which electrical transmission has been known to occur for some time, electrical synapses have been found in disparate regions of the mammalian CNS. Synaptic transmission is both chemical and electrical, and interactions between these two forms of interneuronal communication might be required for normal brain development and function. NATURE REVIEWS | NEUROSCIENCE VOLUME 15 | APRIL 2014 | 251 Electrical synapses and their functional interactions with chemical synapses Alberto E. Pereda Based on this bidirectional and analogical (that is, they do not require an action potential) nature, electrical synapses are particularly efficient at detecting the coincidence of simultaneous subthreshold depolarizations within a group of coupled neurons, a phenomenon that increases neuronal excitability and promotes synchronous firing. Electrical synapses are also highly effective at mediating lateral excitation and increasing the sensitivity of sensory systems, (coordinated activity) as it occurs in the retina and the primary afferents of escape networks. Because of their reliability (transmission at electrical synapses is not probabilistic in nature) and the absence of a synaptic delay (transmission occurs instantaneously), electrical synapses are also a typical feature of escape response networks in both invertebrates and vertebrates. NATURE REVIEWS | NEUROSCIENCE VOLUME 15 | APRIL 2014 | 251 Oba typy synapsí mohou být regulovány internalizací kanálů. Oba typy citlivé na neuromodulaci a mohou se ovlivňovat i vzájemně. Podle: http://web.neurobio.arizona.edu/gronenberg/nrsc581/index.html Paměť Paměť 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 genů, které syntetizují látky potřebné k doručení signálu 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 podkladem učení a paměti, zůstává předmětem debat Úrovně synaptické plasticity neuronové sítě Engram – zápis do struktury, fyzikální substrát paměti. Dodnes nevyřešený problém. Změny v NS se odehrávají na několika úrovních. Různé typy modifikací Možná místa modifikací na presynaptické straně a) Počet aktivních zón b) Počet a typy Ca kanálů c) Velikost vezikulů d) Vzdálenost kanál vezikul e) Připravená zásoba vezikulů f) Rozdíly v proteinech Synaptická plasticita Donald Hebb LTP – dlouhodobá potenciace, 1983, 100Hz LTD – dlouhodobá deprese, 3 Hz NMDA ionotropní receptor potřebuje k aktivaci jak a) ligand, tak i 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 Potenciace Ta koleterála, která dostala tetanickou stimulaci, vyvolá o hodinu později vyšší potenciál. Depolarizace samotné postsynaptické strany vyvolá potenciaci Dlouhodobá aktivace nenechá v klidu proteosyntézu. Proto transkripční faktory (např. Zenk a c-Fos) signalizují aktivitu neuronů. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2000 "for their discoveries concerning signal transduction in the nervous system" Arvid Carlsson Paul Greengard Eric R. Kandel 1/3 of the prize 1/3 of the prize 1/3 of the prize Sweden USA USA Göteborg University Gothenburg, Sweden Rockefeller University New York, NY, USA Columbia University New York, NY, USA b. 1923 b. 1925 b. 1929 (in Vienna, Austria) 2006 Habituace a sensitizace u zeje Aplysia californica HABITUACE U APLYSIA Dotek na sifon... ...a žábra se stáhnou OBRANNÁ REAKCE STAŽENÍ ŽABER APLYSIA 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Trial number Strengthofresponse HABITUACE U APLYSIA Dotek na sifon... …a žábra se stáhnou OBRANNÁ REAKCE STAŽENÍ ŽABER APLYSIA 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Trial number Strengthofresponse OBRANNÁ REAKCE STAŽENÍ ŽABER APLYSIA 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Trial number Strengthofresponse HABITUACE U APLYSIA Dotek na sifon... …a žábra ukážou téměř žádnou reakci Lze studovat dokonce na tkáňové kultuře • 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 Habituace Krátkodobá habituace díky inaktivaci Ca kanálů. Sensitizace je zvýšení citlivosti organizmu k opakovanému dráždění původně neutrálním podnětem následující po dráždivém podnětu Když je podnět nepravidelný Podnět velké intenzity Obyčejně je krátkodobá Představuje celkové vybuzení, excitaci organizmu Sensitizace SENSITIZACE U APLYSIA Dotek na sifon... …a žábra se stáhnouPodráždění „ocasu“ OBRANNÁ REAKCE STAŽENÍ ŽABER APLYSIA 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Trial number Strengthofresponse 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. • - 5-HT difunduje synaptickou štěrbinou a váže se na serotoninové receptory na povrchu cytoplasmatické membrány presynaptických elementů sensorických neuronů SNs. Stimulovaný receptor prostřednictvím G-proteinu aktivuje membránový enzym adenylatcyklasu. Aktivovaný enzym začne z ATP vyrábět cAMP. • - cAMP aktivuje cytoplasmatickou proteinkinasu. Stimulovaný enzym poté způsobí fosforylaci proteinu K+ kanálů v povrchové membráně presynaptických elementů sensorických neuronů SNs. • - Fosforylace způsobí změnu konfigurace kanálového proteinu. Důsledkem toho je snížená vodivost K+ kanálů, pokles velikosti repolarizujícího K+ proudu a prodloužení trvání akčního potenciálu generovaného na membráně presynaptického elementu sensorických buněk SNs. • - Delší trvání depolarizační fáze akčního potenciálu, které výše zmíněným mechanismem nastane, způsobí prolongované otevření napěťově závislých Ca2+ kanálů v povrchové membráně presynaptických elementů sensorických neuronů SNs. Díky tomu během akčního potenciálu vstupuje do jejich nitra větší množství Ca2+ iontů. • - Vyšší koncentrace volných Ca2+ iontů v nervové terminále způsobí větší mobilizaci synaptických vesikul. To se projeví uvolňováním větších kvant mediátoru sensorickými buňkami SNs. • - Aktivace většího množství postsynaptických receptorů vyšší koncentrací mediátoru v synaptické štěrbině způsobuje vzrůst amplitudy EPSP, a tím i frekvence akčních potenciálů na excitačních interneuronech a motorických buňkách. Ad A) Krátkodobé zesílení Hlavní cesta: Fosforylace a snížená vodivost K kanálů. Zadržení K+ a delší depolarizace presynaptického elementu. Delší otevření Ca kanálů a větší výlev mediátoru. Ad A) Krátkodobé zesílení – celkově 3 cesty: Ad B) Dlouhodobé dráždění aktivuje syntézu látek k přestavbě presynaptické části synapse. 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 1. Klasické podmiňování 2. Instrumentální (operantní) podmiňování Čichové averzivní podmiňování Drosophily T-maze CS – určitá vůně, US – slabá elektrická rána Po tréningu se mouchy vyhýbají vůni asociující šok Aktivačně závislá neuromodulace PP - Podmíněný podnět NP – Nepodmíněný podnět Podmiňování zřejmě také využívá mechanismus presynaptického zesílení při synchronní a opakované aktivaci PP a NP. Ideálně současně nebo PP těsně před NP. Adenyl cykláza slouží jako koincidenční detektor. Podmiňování Důležité je pořadí, ale i načasování podnětů V klasickém uspořádání PP lehce předchází NP (odměna nebo trest) PP NP PP • Do posílení synapse nezasahuje jen modulační synapse. Nutná je spolupráce obou drah. Důležité pořadí a načasování PP a NP. • Adenylcykláza je citlivá na Ca. Ca se nahromadí při aktivaci PP dráhy. • Stimulace PP neuronu současně s (nebo těsně před) začátkem aktivace NP buňky má za následek influx Ca2+ iontů do cytoplasmy jeho presynaptického elementu. Ca2+ ionty se zde vážou na regulační protein calmodulin. Vzniklý komplex Ca2+ - calmodulin se připoutá na adenylatcyklasu a zesílí její činnost. Díky tomuto zásahu pak dochází k syntéze většího množství cAMP při působení modulačního mediátoru (5-HT) než při absenci Ca2+ - calmodulinového komplexu. • Další působení molekul cAMP je jako v sensibilizaci PP NP Koincidenční detekce: Adenylyl cykláza je aktivovaná jak alfa podjednotkou G proteinu, tak komplexem Ca Calmodulin. 1.Po aktivaci PP zvýšená hladina Ca+ 2.Aktivace kalmodulinu 3.Kalmodulin stimuluje adenylcyklasu 4.Vyšší hladina cAMP 5. Serotonin z modulační s. také stimuluje ACyklázu 6. cAMP aktivuje PK7 7.Blokace K+ kanálů 8.Delší depolarizace 9.Delší influx Ca+ 10.Větší výlev mediátoru PP NP 1.Po aktivaci PP zvýšená hladina Ca+ 2.Aktivace kalmodulinu 3.Kalmodulin stimuluje adenylcyklasu 4.Vyšší hladina cAMP 5. Serotonin z modulační s. také stimuluje ACyklázu 6. cAMP aktivuje PK7 7.Blokace K+ kanálů 8.Delší depolarizace 9.Delší influx Ca+ 10.Větší výlev mediátoru PP NP Koincidenční detekce u plže stejně jako u Drosophily Propojené dráhy krátkodobé a dlouhodobé paměti. Krátkodobá: inaktivace K kanálů Dlouhodobá: aktivace časných genů a přestavba presynaptické části Přestavba při podmiňování i na postsynaptické části Přestavba pre i postsynaptické části synapsí Současný model při hledání engramu: transgenní myš Neurony aktivované při vytvoření podmíněného spoje je možné optogeneticky aktivovat nebo tlumit. K čemu je to prakticky dobré: Léčba poruch paměti Závislostí Fobií, traumat