Synapsa

1. Synapsa Sir Charles Sherrington, 1897, Podręcznik fizjologii <gr. sýnapsis połączenie>

2. Synapsy chemiczne i elektryczne Dwa główne sposoby komunikacji w układzie nerwowym: synapsy elektryczne i synapsy chemiczne. Cytoplasmic continuity between pre- and postsynaptic cells Ultrastructural components Synaptic delay Type of synapse Distance between pre- and postsynaptic cell membranes Agent of transmission Direction of transmission Yes Gap-junction channels Virtually absent Electrical 3.5 nm Ion current Usually bidirectional No Presynaptic vesicles and active zones; postsynaptic receptors Significant: at least 0.3 ms, usually 1-5 ms or longer Chemical 20-40 nm Chemical transmitter Unidirectional

3. Synapsy elektryczne A. W synapsie elektrycznej dwie komórki są połączone kanałami szczelinowymi (gap-junction channels). Kanały te umożliwiają bezpośredni przepływ jonów pomiędzy dwoma komórkami. Dodatkową ułatwieniem komunikacji jest zawężenie przestrzeni zewnątrzkomórkowej z 20nm do 3.5 nm w złączu szczelinowym (gap junction). Mikrografia elektronowa połączenia szczelinowego. Macierz kanałów wyizolowana z błony wątroby szczura. Każdy kanał ma strukturę hexagonalną. Powiększenie: X 307 800 B. Każdy półkanał (connexon) składa się z sześciu identycznych podzespołów (connexin). C. Podzespoły są ułożone tak, że tworzą por pośrodku kanału. Por jest otwarty gdy podzespoły są skręcone względem podstawy. Na otwarcie lub zamknięcie poru może wpływać poziom pH i stężenie Ca+ w komórce. Synapsy elektryczne mogą mieć również napięciowozależne bramki oraz reagować na różne neuroprzekaźniki. • Główne cechy przekaźnictwa elektrycznego: • duża prędkość • wierność przekazu (bez zniekształcenia) • działanie dwukierunkowe • Zastosowanie: • szybkie działanie (np. odruch ucieczki) • synchroniczne działanie dużych grup neuronów • komunikacja w komórkach glejowych

4. Synapsy elektryczne u Aplysii E. Kandel z Aplysią Stymulacja elektryczna ogona powoduje synchroniczne wyładowanie w trzech motoneuronach. 1. Gdy motoneurony znajdują się w spoczynku stymulacja wywołuje identyczną salwę potencjałów czynnościowych w trzech komórkach czego wynikiem jest wypuszczenie atramentu. 2. W stanie hiperpolaryzacji, odpowiedź obronna jest zablokowana.

5. Synapsa chemiczna • W skrócie: • Potencjał czynnościowy dochodzi do zakończenia aksonu. • Uwolnienie neuroprzekaźnika do szczeliny synaptycznej. • Powstanie potencjału postsynaptycznego w neuronie postsynaptycznym.

6. Synapsa chemiczna • Depolaryzacja błony presnaptycznej. • Aktywacja napięciowozależnych kanałów Ca2+ • Fuzja błony pęcherzyka synaptycznego z błoną presynaptyczną • Uwalnianie neuroprzekaźnika (egzocytoza) • Dyfuzja neuroprzekaźnika do szczeliny synaptycznej • Przyłączenie neuroprzekaźnika do receptora i bramkowanie kanałów jonowych • Odnowa pęcherzyka synaptycznego –endocytoza • Inaktywacja neuroprzekaźnika (dyfuzja, wychwyt zwrotny, hydroliza)

7. Synapsy pobudzające i hamujące W wyniku akcji synaptycznej powstaje potencjał postsynaptyczny (PSP) w neuronie postsynaptycznym. Potencjał ten jest pobudzający (excitatory or EPSP) jeśli zwiększa prawdopodobieństwo generacji potencjału czynnościowego oraz jest hamujący inhibitory or IPSPs) jeśli zmniejsza prawdopodobieństwo generacji potencjału czynnościowego. Większość neuronów dostaje wejścia zarówno pobudzające, jak i hamujące. Prąd synaptyczny jest postaci: Isyn = gsyn(t)(V - Vsyn) (A) Pobudzający potencjał postsynaptyczny EPSP. (B) Hamujący potencjał postsynaptyczny IPSP. (C) IPSP może jednak depolaryzować komórkę jeżeli potencjał równowagowy dla danej synapsy jest pomiędzy potencjałem spoczynkowym i progiem potencjału czynnościowego.

8. Receptory jonotropowe i metabotropowe Receptory jonotropowe powodują szybką i krótkotrwałą odpowiedź synaptyczną. Występują w obwodach kontrolujących szybkie zachowania. Receptory metabotropowe dają odpowiedź wolniejszą i dłuższą. Modulują zachowanie zmieniając pobudliwość neuronów i siłę połączenia synaptycznego.

9. Narkotyki a neuroprzekaźnictwo Działanie różnych leków (nasenne, antydepresyjne) oraz narkotyków polega na ingerencji w neuroprzekaźnictwo. Np. marijuana i heroina aktywuje neurony ponieważ ich chemiczna struktura jest podobna do naturalnych neuroprzekaźników. Pomimo ze skutecznie ‘poszywają’ się one pod neuroprzekaźniki, aktywacja neuronow nie jest taka sama i prowadzi do zmienionej aktywnosci sieci. amfetamina, kokaina powoduje zwieksza stezenie neuroprzekaźników poprzez ich wydzielanie w wiekszych niż normalnie ilosciach lub poprzez blokade ich wychwytu zwrotnego. Wiekszosc narkotykow np. kokaina, amfetamina wplywa na uklad nagrody zwiazany z dopamina (DA). DA jest obecna w rejonach mozgu odpowiedzialnych m.in. za motywacje, uczucia i odczuwanie przyjemnosci. Leki psychiatryczne wyrównują niedobór lub nadmiar naturalnych. Odbywa się to np. poprzez blokowanie wychwytu zwrotnego (np. serotoniny 5-HT) przez leki andytdepresyjne (Prozac, Paxil, Zoloft). Inne leki ‘podszywają’ się lub blokuja enzymy rozkładajace neuroprzekaźniki. Leki nasenne i uspokajające zwiększają aktywność receptorów hamujących GABA, hamując poziom aktywności człowieka.

10. Pięć zmysłów

11. Modalności sensoryczne u człowieka

12. Od receptorów do percepcji • Procesowanie informacji sensorycznej • Receptory • Obwody i trakty sensoryczne • Percepcja

13. Transdukcja bodźca Transdukcja w narządach zmysłów jest to proces zamiany fizycznej/mechanicznej energii bodźca na zmianę potencjału elektrycznego na błonie komórki nerwowej. Komórki, w których to się odbywa nazywa się receptorami. • Np. transdukcja w czopkach i pręcikach w siatkówce oka odbywa się trójstopniowo: • Aktywacja barwnika wzrokowego (fotopigmentu) poprzez światło. • Aktywne cząsteczki fotopigmentu aktywują fosfodiestraze (PDE), która zmniejsza koncentracje cyklicznego nukleotydu (cGMP). • Zmniejszenie stężenia cGMP powoduje zamknięcie kanałów kationowych, normalnie utrzymywanych przez cGMP w stanie otwartym.

14. Receptory miejsce transdukcji lub transmisji synaptycznej miejsce powstawania impulsu bodziec

15. Intensywność bodźca Częstotliwość odpowiedzi Kodowanie bodźca w receptorach Kodowanie intensywności stymulacji w czasie w neuronach czuciowych. Zapisy z lewej: największa odpowiedz pojawia się w w fazie narastania bodźca. W fazie statycznej odpowiedź maleje. Jest to proces adaptacji. Receptory przekazujące powolne i długotrwałe zmiany adaptują się wolno. Zapisy z prawej: receptory o szybkiej adaptacji odpowiadają tylko na początku i na końcu stymulacji. Potencjał receptorowy i częstość odpowiedzi receptora wykazują (prawie) idealną korelację.

16. Hierarchiczne procesowanie informacji • Podstawowe zasady: • Dywergencja • Konwergencja • Równoległość • Sprzężenie zwrotne (feedback)

17. Percepcja Detekcja bodźca (zachowanie progowe – receptor threshold, behavior threshold) P – źrenica (pupil) FP – punkt patrzenia (fixation point) M - monochromatory S – przesłona (shutter) L - lampa Układ do pomiaru minimalnej energii wywołującej wrażenie wzrokowe. Z. Selig Hecht, Simon Shaleri Maurice Henri Pirenne. Energy, Quanta and Vision. The Journal of General Physiology, Vol 25, 819-840 (1942) - Pojedynczy foton może pobudzić pojedynczy fotoreceptor w siatkówce człowieka - Jednoczesna aktywacja 7 receptorów jest potrzebna by świadomie zarejestrować stymulację

18. Percepcja Rozdzielczość przestrzenna Dwu – punktowa rozdzielczość w różnych obszarach ciała. Najlepsza rozdzielczość występuje na końcach palców, na wargach i na języku.

19. Wyodrębnianie submodalności (jakości) Percepcja Percepcja analityczna Percepcja syntetyczna

20. Rozpoznawanie wzorców Percepcja Psychologia lub teoria Gestalt: teoria umysłu, wg. której – postrzegamy świat całościowo, równolegle, analogowo i w sposób samoorganizujący się. Efekt Gestalt - zdolność zmysłów do tworzenia wzorców, szczególnie w odniesieniu do wzrokowego rozpoznawania kształtów i form, a nie zbioru punktów i linii.

21. Milczenie Owiec – detal plakatu Salvador Dali In Voluptas Mors, 1951 Percepcja - rozpoznawanie wzorców - cd Milczenie Owiec - plakat

22. Słuch

23. Ucho zewnętrzne, środkowe i wewnętrzne

24. Ucho środowe i wewnętrzne W uchu środkowym zachodzi transmisja mechaniczna. Młoteczek kowadełko i strzemiączko przekazuje drgania błony bębenkowej do ucha wewnętrznego.

25. Jak działa ucho?

26. Jak działa ucho?

27. Jak działa ucho?

28. Jak działa ucho?

29. Jak działa ucho?

30. Jak działa ucho? Wysoka częstość Niska częstość

31. Ślimak i błona podstawna Ślimak w uchu wewnętrznym ssaków ma kształt muszli ślimaka. Zawiera on narząd słuchu, tzw. narząd Cortiego, w którego skład wchodzi błona podstawna (basilar membrane). Wnętrze ślimaka wypełnione jest płynem zwanym śródchłonką. Po rozwinięciu, ślimak ma kształt stożka zwężającego się ku końcowi. Błona podstawna jest wąska u podstawy i rozszerza się ku końcowi. Różne częstości dźwięku kodowane są za pomocą pomocą pozycji wzdłuż błony – wysokie częstości pobudzają drgania błony u podstawy, niskie częstości, bliżej wierzchołka ślimaka.

32. Rezonansowa teoria słyszenia Helmholtza Różne częstości dźwięku są zakodowane przez ich położenie wzdłuż błony podstawnej. Krótkie struny (u podstawy) będą odpowiadać (rezonować) wysokim częstościom, długie struny u wierzchołka będą odpowiadać (rezonować) niskim częstościom.

33. Teoria fali biegnącej - Von Bekesy (1928). Nobel 1961 Ciśnienie wywierane na okienko owalne wywołuje falę biegnącą w ślimaku co powoduje oscylacje błony podstawnej w ślimaku Georg von Békésy(1899 –1972) Obwiednie fal biegnących dla 3 różnych częstości

34. Problem: szeroka obwiednia fali biegnącej a słyszymy czyste tony Wniosek: musi istnieć dodatkowy mechanizm strojenia systemu słuchowego do częstości dźwięku. Potwierdzenie: drgania błony podstawnej Rola wzmacniacza ślimakowego. (c) maksimum pojawiające się w wyniku działania wzmacniacza ślimakowego, (d) ruch pasywny błony podstawnej bez wzmacniacza ślimakowego.

35. Dwa typy komórek włoskowatych Na błonie podstawnej występują receptory słuchu – komórki włoskowate. Istnieją komórki włoskowate zewnętrzne i wewnętrzne. Przekrój poprzeczny przez ślimak, pokazujący narząd Cortiego.

36. Dwa typy komórek włoskowatych Mikrografie ze skaningowego mikroskopu elektronowego ukazujące ułożenie komórek włosowatych wewnętrznych i zewnętrznych oraz ich rzęsek. Komórki zewnętrzne ułożone są w trzy rzędy, a ich rzęski ułożone są w kształcie V. Komórki wewnętrzne leżą w jednym rzędzie.

37. Funkcjonalna organizacja wewnętrznych i zewnętrznych komórek włoskowych W komórkach włoskowych zachodzi transdukcja mechano-elektryczna. Ruch włosków powoduje otwarcie kanałów K+ i napływ potasu do wnętrza komórki. Powoduje to aktywacje kanałów Ca2+. Napływ wapnia powoduje modulacje kanałów K+ zależnych od Ca2+. Współdziałanie kanałów K+ i Ca2+ wytwarza oscylujący potencjał błonowy, który wzmacnia się dla wybranej częstości na zasadzie rezonansu. Każda komórka włoskowata ma charakterystyczną dla siebie częstość, na którą odpowiada najlepiej. Powoduje to wyostrzanie częstości oraz umożliwia odpowiedź mechaniczną komórki poprzez sprzężenie napieciowo- mechaniczne (V-M - voltage –mechanical converter).

38. Taniec komórek Zewnętrzna komórka włoskowata podłączona do pipety patch clamp. Przy pomocy pipety regulowany jest potencjał błonowy, odpowiadający obwiedni niskich częstości melodii ‘Rock Around the Clock’. Komórka włoskowata zmienia długość w zależności od napięcia, lecz zachowuje objętość. Za zmianę długości odpowiadają włókna kurczliwe ułożone w kratownice, umieszczone w błonie komórkowej.

39. Wzmacniacz ślimakowy Komórki włoskowate zewnętrzne mechanicznie wzmacniają ruchy błony pokrywającej. Komórki włoskowate wewnętrzne odbierają wzajemne ruchy pomiędzy błoną podstawną i pokrywającą.