horizon.png ŠÍŘENÍ SIGNÁLŮ A SYNAPSE Synapse horizon.png 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 potenciály Šíření signálů a synapse horizon.png 501A0F80 7CDA14CC 22DFA18E Vesmír atd. horizon.png Propagace, voltage clamp Od místa vzniku k dalšímu neuronu. Šíření podél membrány. Kromě příčného i podélný tok iontů. Záleží na průměru. axon horizon.png myelination1 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. saltatorní vedení [USEMAP] nemyelinizovaný myelinizovaný horizon.png Synapse 01neurons1 Synapse horizon.png figure 19-02d figure 19-02a figure 19-02b figure 19-02c Synapse v kontextu buněčných spojů horizon.png 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 Medal Sir Bernard Katz Ulf von Euler Julius Axelrod third third third horizon.png ploténkové potenciály Sir Bernard Katz, 1970 Kvantovaný přenos 5-7 Second messengers, synapses horizon.png synapse Akční potenciál vyvolá vyplavení transmiteru. horizon.png synapse Synapsin = znovuhromadění v aktivní zóně Receptor je součástí kanálu – ionotropní signalizace nebo spojen s kanálem kaskádou signálů – metabotropní signalizace horizon.png Coatomer clathrin nutný pro udržení tvaru vesikulu receptory řízená endocytóza vesikuly s mediátorem 1 horizon.png doprava vesikul k synapsi Finální syntéza v knoflíku (rychlá transmise) nebo v těle neuronu – axonální transport (pomalá) horizon.png figure 13-73 Místní recyklace vesikul je rychlejší než transport z Golgiho a. Spolupráce endosomu a vesikulu. horizon.png figure 13-74 Synaptický vesikul: Import transmitteru na přenašeči hnaném H+ gradientem. horizon.png 5-11 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. horizon.png synapse2 horizon.png receptory řízená endocytóza horizon.png figure 19-22a horizon.png figure 19-22b horizon.png figure 19-22c Buněčný spoj s mnoha kotvami napojenými na „lešení“ horizon.png figure 19-21 Postsynaptická strana - detail horizon.png figure 11-38 Ach receptor je ionotropní. Je to pentamer, podobný receptoru pro serotonin, GABA, glycin. Avšak Glut. receptor je tetramer, podobný K kanálu. horizon.png 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. horizon.png 11-9 Metabotropní Signalizace na postsynaptické straně Parasympatikus na myokardu horizon.png 11-10 Metabotropní Signalizace na postsynaptické straně Sympatikus na myokardu horizon.png synapse2 Nemusí být jen excitační, jsou i inhibiční transmitery. horizon.png Postsyanptická strana: Odstupňovaný potenciál Vedení s dekrementem horizon.png sumace na synapsi sylbernagl Postsynaptická strana: Prostorová a časová sumace horizon.png sumace na synapsi sylbernagl Postsynaptická strana: Prostorová a časová sumace horizon.png sčítání na somatu horizon.png tabulka potenciálů Srovnání dvou typů elektrické řeči. horizon.png 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. figure 11-41 > horizon.png 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. horizon.png figure 11-40a figure 11-40b Analýza tisíců vstupů. horizon.png vzdálenost ovlivní synapsi Vzdálenější vstupy ale nemusí být diskriminovány! Synaptické stupňování a „volání nazpět“ horizon.png transmittery vzorce transmitterů vzorce transmitterů vzorce transmitterů vzorce transmitterů vzorce transmitterů vzorce transmitterů Mediátory horizon.png •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 Eric R. Kandel horizon.png Stejný mediátor, ale různé dráhy a opačný účinek. Příklad noradrenalinu horizon.png Obrazek Existuje i mimosynaptický přenos (presynaptická inhibice/potenciace) 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. horizon.png tabulka transmitterů Klasické transmitery a Neuroaktivní peptidy – neuromodulátory, kotransmitery horizon.png synapse 2 horizon.png 6-13 Receptory nejen na dendritech a těle: Presynaptická synapse horizon.png Obrazek Důsledek obecné chemické sensitivity neuronů: Účinky psychoaktivních látek např. na psychiku horizon.png http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-13/13_15.jpg Synapse jsou nejen chemické, ale i elektrické horizon.png 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 horizon.png 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 horizon.png horizon.png Oba typy synapsí mohou být regulovány internalizací kanálů. horizon.png Oba typy citlivé na neuromodulaci a mohou se ovlivňovat i vzájemně. horizon.png Podle: http://web.neurobio.arizona.edu/gronenberg/nrsc581/index.html Paměť Santiago karl-lashley-2 Donald_Hebb descartes horizon.png Paměť horizon.png 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 horizon.png druhy sp Úrovně synaptické plasticity neuronové sítě horizon.png Engram – zápis do struktury, fyzikální substrát paměti. Dodnes nevyřešený problém. Změny v NS se odehrávají na několika úrovních. horizon.png synapticka plasticita druhy Různé typy synaptických modifikací horizon.png 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 horizon.png 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. Donald_Hebb horizon.png 20-1 Synaptická plasticita Potenciace: A.Sumace-podobná svalové B. Facilitace-změna účinnosti C. Deprese horizon.png 20-7 Potenciace Ta koleterála, která dostala tetanickou stimulaci, vyvolá o hodinu později vyšší potenciál. horizon.png 20-8 Depolarizace samotné postsynaptické strany vyvolá potenciaci horizon.png 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. Donald_Hebb http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/ampa_and_nmda.html horizon.png ltp3 ltp3c Dlouhodobá aktivace nenechá v klidu proteosyntézu. Proto transkripční faktory (např. Zenk a c-Fos) signalizují aktivitu neuronů. horizon.png 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) Medal Arvid Carlsson Paul Greengard Eric R. Kandel third third third horizon.png slide1_kandel[1] 2006 horizon.png slide2_kandel[1] horizon.png slide3_kandel[1] horizon.png slide5_kandel[1] horizon.png slide4_kandel[1] horizon.png slide7_kandel[1] horizon.png slide9_kandel[1] horizon.png slide10_kandel[1] horizon.png slide11_kandel[1] horizon.png Habituace a sensitizace u zeje Aplysia californica Aplysia horizon.png HABITUACE U APLYSIA Dotek na sifon... ...a žábra se stáhnou horizon.png OBRANNÁ REAKCE STAŽENÍ ŽABER APLYSIA horizon.png HABITUACE U APLYSIA Dotek na sifon... …a žábra se stáhnou horizon.png OBRANNÁ REAKCE STAŽENÍ ŽABER APLYSIA horizon.png OBRANNÁ REAKCE STAŽENÍ ŽABER APLYSIA horizon.png HABITUACE U APLYSIA Dotek na sifon... …a žábra ukážou téměř žádnou reakci horizon.png horizon.png metody neuro zej horizon.png slide27_kandel[1] Lze studovat dokonce na tkáňové kultuře horizon.png ganglia zeje horizon.png • 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 horizon.png zejův ocas horizon.png aplysia habituace Krátkodobá habituace díky inaktivaci Ca kanálů. horizon.png aplysia habituace Dlouhodobá habituace díky přestavbě synapse. horizon.png 20-3 20-4 Krátkodobá habituace (deprese) – únik K+ horizon.png 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 horizon.png SENSITIZACE U APLYSIA Dotek na sifon... …a žábra se stáhnou Podráždění „ocasu“ horizon.png OBRANNÁ REAKCE STAŽENÍ ŽABER APLYSIA horizon.png 013d 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. horizon.png aplysia sensitizace zejův ocas horizon.png •- 5-HT (serotonin) 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. horizon.png 20-15 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. horizon.png Ad A) Krátkodobé zesílení – celkově jsou ale popsány dokonce 3 cesty: horizon.png Ad B) Dlouhodobé dráždění aktivuje syntézu látek k přestavbě presynaptické části synapse. horizon.png slide13_kandel[1] http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/sensitization.html horizon.png 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 horizon.png učení v laboratoři Podmiňování 1. Klasické podmiňování 2. Instrumentální (operantní) podmiňování horizon.png operantní učení myš horizon.png http://www.united-academics.org/magazine/wp-content/uploads/2015/02/procedure.jpg Čichové averzivní podmiňování Drosophily T-maze CS – určitá vůně, US – slabá elektrická rána Po tréningu se mouchy vyhýbají vůni asociující šok horizon.png podmíněný spoj 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 horizon.png •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 podmíněný spoj > PP > NP horizon.png sensitizace kontra podmiňování aplysia 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 horizon.png učení synapse 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 20-15 > PP > NP horizon.png horizon.png Koincidenční detekce u plže stejně jako u Drosophily horizon.png Důležité je pořadí, ale i načasování podnětů V klasickém uspořádání PP lehce předchází NP (odměna nebo trest) > PP > NP > PP horizon.png Důležité je pořadí, ale i načasování podnětů V klasickém uspořádání PP (CS) lehce předchází NP (US) (odměna nebo trest) horizon.png Propojené dráhy krátkodobé a dlouhodobé paměti. Krátkodobá: inaktivace K kanálů Dlouhodobá: aktivace časných genů a přestavba presynaptické části 013d horizon.png Přestavba při podmiňování i na postsynaptické části LTP2 LTP horizon.png slide30_kandel[1] Přestavba, růst a stabilizace dalších paralelních spojení. horizon.png slide29_kandel[1] Přestavba, růst a stabilizace dalších paralelních spojení. horizon.png slide28_kandel[1] Přestavba, růst a stabilizace dalších paralelních spojení. horizon.png synaptická plasticita Přestavba pre i postsynaptické části synapsí horizon.png 20-9 Dendritické trny jako možný substrát dlouhodobé paměti horizon.png dendritické trny 2 dendritické trny 3 Dendritické trny jako možný substrát dlouhodobé paměti horizon.png slide34_kandel[1] Významný podnět vyvolá stabilizaci a trvalou změnu chování u Aplysie. U savců je signálem významnosti pozornost. Modulační transmitery stabilizují změnu reakce u implicitní i explicitní paměti. horizon.png Současný model při hledání engramu: transgenní myš Neurony aktivované při vytvoření podmíněného spoje je možné optogeneticky aktivovat nebo tlumit. horizon.png K čemu je to prakticky dobré: Léčba poruch paměti Závislostí Fobií, traumat horizon.png Awasthi, Ankit, et al. "Synaptotagmin-3 drives AMPA receptor endocytosis, depression of synapse strength, and forgetting." Science 363.6422 (2019): eaav1483. Rozhodnutí o uložení nebo zapomenutí horizon.png rozdíl axon a adendrit horizon.png znacene synapse horizon.png neurogliová signalizace horizon.png Ca regulace horizon.png Ca regulace