B UDNOST I SPAVANJE , ELEKTRIČNA AKTIVNOST MOZGA

1. BUDNOST I SPAVANJE, ELEKTRIČNA AKTIVNOST MOZGA Prirodno matematički fakultet Departman za biologiju i ekologiju Predmet:Osnovi neurobiologije šk. 2010/11 Prezentaciju pripremila: dr Radmila Kovačević

2. Retikuloaktivacijski sistem (RAS) važan za budno stanje; lezije retikularne formacije izazivaju stanje dubokog spavanja i blokiraju mogućnost budjenja Retikularna formacija zauzima medioventralni deo produžene moždine, ponsa i srednjeg mozga. RAS – polisinaptički put; projekcija u talamus (nespecifična jedra) – difuzno u korteks; deo RAS-a projekcija direktno u korteks. Talamus – specifična jedra, projekcija u korteks.

3. Primer cirkadijalnog ritma – smena budnosti i spavanja Regioni mozga odgovorni za stanje budnosti i spavanja “Centri” za budno stanje i efekti oreksina Posteriorni hipotalamus, substantia nigra, pontna retikularna formacija, locus ceruleus

4. Stimulacija pontne retikularne formacije, nu. locus ceruleus u moždanom stablu, posteriornog hipotalamusa izazivaju budno stanje. Substantia nigra motorna aktivnost i budnost. Lezije preoptičke oblasti izazivaju insomniju. (Preoptička oblast: bazalni deo prednjeg mozga u frontalnom režnju i anteriorni hipotalamus) Serotonergički neuroni u nu. raphe u moždanom stablu bitni za spavanje. Lezije, kao i primena blokatora sinteze serotonina, izazivaju insomniju (nemogućnost spavanja) kod mačke. Nukleus trakta solitarijusa važan za spavanje, kao i area postrema (neurohemalni organ, nema krvno moždane barijere, pa različite supstance iz krvi mogu da deluju na ove neurone). Nu.raphe uključeni i u budno stanje.

5. EEG – zapis električne aktivnosti korteksa Alfa-ritam: f = 8-12/sek., amplituda 50 nV Beta-ritam: f = 18-30/sek., manja amplituda Teta-ritam: f = 4-7/sek., velika amplituda (kod dece) Delta-ritam: f < 4/sek., velikaamplituda Alfa blok: nepravilna niskovoltažna aktivnost (alertno stanje, prilikom misaone aktivnosti)

7. Faze spavanja: ne-REM spavanje = sporo-talasno spavanje (SWS), duboko spavanje REM (rapid eye movement) faza spavanja, paradoksalno spavanje Ne-REM spavanje: S.1: niskovoltažni talasi, veće frekvence S.2: vretena spavanja, f = 10-14/sek., 40 nV S.3: manja frekvenca, veća amplituda S.4: mala frekvenca, velika amplituda REM spavanje: Brza niskovoltažna aktivnost . Javljaju se veliki fazni potencijali , 3-5 u nizu (nastaju u ponsu, šire se do bočnog kolenastog tela i završavaju u okcipitalnom režnju tzv.PGO (pontno-genikulo-okcipitalni pikovi). Brzi pokreti očiju, tonus skeletne muskulature mali.

8. Ciklus spavanja: period jedne epizode SWS stadijuma praćen jednom epizodom REM faze. Kod pacova traje 10-11minuta, kod čoveka 90-110 minuta. Trajanje ciklusa obrnuto srazmerno stopi metabolizma. Male životinje sa velikom stopom metabolizma imaju kraći cikluc, velike duži.

9. Razlike u dužini trajanja REM faze u različitim godinama života, kao i ukupnog spavanja • Faze 3 i 4 se smanjuju i mogu izostati tokom godina

10. TRAJANJE POJEDINIH FAZA SPAVANJA KOD RAZLIČITIH VRSTA

12. FUNKCIJE SPAVANJA • Konzervacija energije • Izbegavanje predatora • Obnova organizma ? • Konsolidacija memorije ? 1. Tokom spavanja troši se manje energije, smanjena stopa metabolizma. Bitno za male životinje u vreme nedostatka hrane. 2. Jedan od načina da se izbegne predator u periodu dana kada su životinje osetljivije. REM spavanje period kada životinje mogu vrlo brzo da pređu u budno stanje pod dejstvom eksternih stimulusa. 3. Obnavljanje organizma. Sekrecija STH povećana tokom SWS. Ne-spavanje dovodi do pada imuniteta, što ukazuje potvrđuje široko rasprostranjeno mišljenje da spavanje oporavlja nakon bolesti. Potvrda na animalnim modelima. 4. Animalni eksperimenti ukazuju da su moguće jednostavne implicitne forme učenja. Iako ne možemo da usvajamo nove informacije tokom spavanja, ono pomaže da se konsoliduju informacije usvojene tokom budnog stanja.?

13. POSLEDICE NESPAVANJA? Godine 1977. u USA nađena 70-godišnja žena koja je spavala 60-90 minuta dnevno. Merenja EEG tokom sna su pokazala da ima kraću 1. i 2. fazu SWS i da se smenjuju SWS i REM. Hipersomnija – periodi spavanja duži od normalnih Insomnija – nemogućnost spavanja Narkolepsija – iznenadno upadanje u REM fazu tokom dana, noću period spavanja ima normalne karakteristike. Nedostatak oreksina. Nakon perioda nespavanja, u narednom periodu se povećava trajanje REM faze. Ako se pacov izloži odsustvu REM faze tokom 5 nedelja, može da dođe do smrti.

14. U dosustvu smene dan-noć

15. UČENJE I PAMĆENJE

16. Osobina životinja a posebno ljudi je promena ponašanja na bazi iskustva. • Učenje je prikupljanje informacija da bi se to omogućilo. • Pamćenje (memorija) je proces magazioniranja tih informacija u mozgu. • Učenje je modifikacija ponašanja na bazi iskustva. PAMĆENJE je sposobnost dozivanja u sećanje prošlih događaja na svesnom i nesvesnom nivou. EKSPLICITNO(deklerativno) – pojmovi, dogadjaji se svesno prizivaju u sećanje; IMPLICITNO(nedeklerativno , refleksivno) – neasocijativno, asocijativno - klasično uslovljavanje, veštine, navike (najčešće je na nesvesnom nivou). Deklerativno pamćenje dovoljnim brojem ponavljanja može da se transformiše u refleksivno (sviranje klavira, vožnja kola, sportske veštine...)

17. Eksplicitno i mnoge forme implicitnog pamćenja imaju vremensku dimenziju: • KRATKOTRAJNO PAMĆENJE (short-term memory, STM), sekundi – sati; • DUGOTRAJNO PAMĆENJE (long-term memory, LTM), dani, godine… • RADNA MEMORIJA – forma STM, čini informacije dostupnim za kratko vreme dok individua planira aktivnosti bazirane na tim informacijama.

18. Da bi se nešto zapamtilo, tj. da bi se informacija zapisala (kodirala) potrebno je da se u mozgu formira tzv. ENGRAM pamćenja (trag). Proces formiranja engrama zove se KONSOLIDACIJA. Da različiti mehanizmi učestvuju tokom konsolidacije pamćenja pokazuju eksperimenti u kojima se životinja podvrgne učenju, a zatim dejstvu stresogenih stimulusa u roku od nekoliko minuta – to sprečava da životinja zapamti ono što uči. Ako se stresogeni stimulusi primene nakon 4 časa posle učenja, to nema efekta na pamćenje naučenog. Znači u tom periodu se kodira informacija i engram ostaje stabilan.

19. HIPOKAMPUS Smatra se da je hipokampus važan deo mozga za započinjanje procesa konsolidacije LTM Kod alkoholičara mogu da se jave patološke promene u mamilarnim telima (preko forniksa u vezi sa hipokampusom), koje rezultiraju gubitkom kratkotrajnog pamćenja. Amigdaloidna jedra su uključena u emocije u daju "boju" pamćenju. Bolje se pamte događaji koji su povezani sa jakim emocijama.

20. Dugotrajno pamćenje je locirano u različitim delovima neokorteksa. Informacije iz vizuelnog i drugih asocijativnih oblasti korteksa prosleđuju se do peririnalnog i entorinalnog korteksa, a zatim do hipokampusa. Tu se obrađuju i zatim se vraćaju u oblasti odakle su stigle. Ova aktivnost utvrđuje odgovarajuće sinaptičke veze iz različitih oblasti neokorteksa formirajući stabilno pamćenje koje može da se dozove u svest različitim podsticajima.

21. Kratkotrajno pamćenje - aktivirani hipokampus i susedni delovi korteksa. Kod osoba sa bilateralnim lezijama prednjeg dela hipokampusa dolazi do poremećaja u kratkotrajnom pamćenju i nemoguće je formiranje engrama LTM. Nedeklarativno (implicitno) pamćenje je očuvano. Osoba se seća skorih događaja ako se na to skoncetriše, ali ako se i za vrlo kratko vreme usmeri na neštodrugo, zaboravi šta se dešavalo. Događaje koji su se desili pre lezije pamti. Veze sa diencefalonom (mamilarnim telima) su takođe važne za konsolidaciju pamćenja.

22. FORME UČENJA NEASOCIJATIVNO ASOCIJATIVNO PTT habituacija uslovni refleksi instrumentalno (klasično uslov.)uslovljavanje sensitizacija pasivno aktivno izbegavanje

23. Post-tetanička potencijacija (PTP) Zaostajanje kalcijuma u presinaptičkim završecima

24. HABITUACIJA – neutralan stimulus (mehanički dodir sifona), odgovor tipa »šta je to«, nakon ponavljanja izostaje odgovor Jednostavan eksperimentalni model. Nervni sistem od 20000 neurona. Ganglija 2000 neurona. U refleksnom povlačenju škrga učestvuje oko 100 neurona. Eksperiment in vitro.

25. HABITUACIJA Odgovor se smanjuje

26. SENZITIZACIJA – neutralan stimulus se poveže sa nekim nociceptivnim ili prijatnim stimulusom, odgovor se pojačava

27. Presinaptička facilitacija: Serotonin G-protein zavisan receptor cAMP, PKA fosforilacija K-kanala usporava se repolarizacija veća ulazna kalcijumova struja više NT veći EPSP (forma STM) LTM uključuje aktivaciju CREB, transkripciju, prepisivanje proteina i formiranje novih presinaptičkih završetaka

28. Senzitizacija

29. STM kod Aplisia

30. Klasično uslovljavanje, uslovni refleksi Pavlov, početak XX veka. http://nobelprize.org/educational_games/medicine/pavlov/about.html

31. Bezuslovni stimulus (BS) + Indiferentni stimulus (IS)  Uslovni stimulus (US) • Uslovi za prelazak IS  US : • IS pragovna vrednost • 2. Vremenska koordinacija IS i BS: IS pre BS; istovremeno, BS pre IS, ali • se refleks lakše gasi • 3. Ponavljanje IS sa BS koji ga prati • 4. Potrebno potkrepljenje • Osnova uslovnih refleksa je povezivanje dva moždana centra koja se aktivirajubezuslovnim i uslovnim refleksom. • Unutrašnja inhibicija – gašenje refleksa • (US duže vreme bez BS) • Spoljna inhibicija – US pa neki drugi spoljni stimulus, refleks izostaje

32. INSTRUMENTALNO USLOVLJAVANJE je drugi tip asocijativnog učenja. Ovde se stvara veza izmedju odgovora tj. ponašanja i stimulusa. Naime, ako se životinja uči da uradi neki zadatak, a to se poveže sa nagradom ili izbegavanjem kazne, onda se takav oblik učenja zove instrumentalno uslovljavanje, a kako se pri tome prave i greške, učenje može da se nazove i učenje "na pokušajima i pogreškama". USLOVNO IZBEGAVANJE: aktivno i pasivno. AKTIVNO IZBEGAVANJE - životinja se nalazi u kavezu koji je podeljen na dva dela; da bi izbegla negativno potkrepljenje (električni udar kroz pod u prvom delu kaveza) treba da predje u odredjenom vremenskom periodu u drugi deo prostorije. PASIVNO IZBEGAVANJE (životinja treba da nauči da na US – svetlost, ulazi u drugi kavez i uzima hranu.Nakon toga umesto hrane primenjuje se neugodno potkrepljenje, npr. udar strujom. Životinja odustaje od naučene reakcije).

33. AVERZIVNO UČENJEje slično klasičnom uslovljavanju, ali nije potrebno ponavljanje. Primer je korišćenje uslovljavanja da se formira averzija prema hrani. Pacovu je davana voda različitog ukusa, a odredjeni ukusi povezani su sa ozračivanjem pacova što je posle nekoliko sati bilo praćeno bolešću gastrointestinalnog trakta. Kada se pacov oporavio od bolesti odbijao je da pije vodu ukusa koji su bili povezani sa ozračivanjem. Bolest je bila indiferentni stimulus, a ukus – bezuslovni stimulus. Ako se davanje hrane poveže sa nekim neprijatnim stimulusom (pr. injicira se lek koji izaziva povraćanje), životinja će razviti averziju prema toj hrani. Averzija se razvija posle samo jednog pokušaja, a vremenska razdvojenost izmedju US i BS ne mora da bude tako mala kao kod klasičnog uslovljavanja. Smatra se da je mozak genetski programiran da olakša formiranje ovog refleksa – izbegavanje trovanja (odvikavanje od alkohola…)

34. DUGOTRAJNA POTENCIJACIJA (LTP) LTP je pojačana aktivnost postsinaptičkog neurona na presinaptičku stimulaciju, nakon ponovljene stimulacije presinaptičkog neurona. LTP može da traje danima. LTP je rezultat povećanja [Ca2+] u post sinaptičkom neuronu. Dešava se u mnogim delovima nervnog sistema, ali je najviše proučavana u HIPOKAMPUSU. LTP ima dve faze. Jedna stimulacija izaziva kratkotrajnu ranu fazu (rani LTP) koja traje 1-3 h ne zahteva sintezu proteina. Duži trening izaziva formiranje mnogo stabilniju fazu koja traje najmanje 24h i duže tzv. kasni LTP, zahteva gensku ekspresiju, pored sinteze proteina i aktivacije protein kinaze.

35. NO se vraća u presinaptičke završetke i aktivira sGC  cGMP PKG pojačava oslobađanje Glu iz presinaptičkih završetaka. Kalcijum aktivira kinaze koje fosforilišu AMPA-R i pojačava se aktivnost receptora. FosforilacijaTFpovećana transkripcija i sinteza proteina.

38. http://www.brainviews.com/abFiles/AniLearn.htm http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/sensitization.html http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/receptors.html http://media.hhmi.org/hl/08Lect4.html http://www.hhmi.org/biointeractive/animations/ http://thebrain.mcgill.ca/flash/index_a.html