Základy obecné neurofyziologie RNDr. Věra Valoušková, CSc.

Rozdělení a funkce NS Typy buněk a jejich funkce Vznik a přenos informačního signálu - akční potenciál - vedení vzruchu - synapse Zpracování signálu Plasticita CNS Poruchy v CNS

Vývoj nervové soustavy Hlavní funkce NS - zajistit přežití jedince a druhu tj. umožnit uspokojení základních životních potřeb - interakce organismu s okolím Složitosti organismů odpovídá složitost nervového systému (NS) Vývoj nervové soustavy difúzní nervová soustava nezmara (síť konstantně spojených nervových buněk) žebříčkovitá nervová soustava ploštěnců (2 nervové pruhy spojené příčnými komisurami, ganglia) nervová soustava kroužkovců (s párovými mozkovými zauzlinami a břišním nervovým pruhem s ganglii) gangliová nervová soustava členovců centrální nervová soustava obratlovců obojživelníci, plazi, ptáci, savci (Homo sapiens, Homo erectus @-F.Vyskocil 2006

Rozdělení nervové soustavy Centrální nervový systém (CNS) – mozek, mícha Periferní nervový systém (PNS) – nervy, míšní ganglia Autonomní (vegetativní) nervový systém –vegetativní nervy, autonomní ganglia, nervové pletence Smyslové orgány – zrakové, čichové, sluchové, chuťové, hmatové receptory (tepelné, tlakové..), ??? Mozek – u člověka - nejdokonalejší „smysl“

Základní funkce nervové soustavy Příjem informací - vstup z vnějšího (PNS) a vnitřního prostředí (autonomní NS - vegetativní) Vstupy - receptory: vnější (receptory oka, sluchu, kůže…) + vnitřní (šlachová tělíska, svalová vřeténka, chemoreceptory) Přenos informace receptor - aferentní dráhy – CNS – eferentní dráhy – efektor (žláza, sval –hladký, kosterní) Zpracování informací – CNS – modulace signálu v neuronových sítích, více úrovňové - úroveň míchy, prodloužené míchy, středního mozku, mezimozku, mozečku, mozkové kůry (hrubé až jemné zpracování) Ukládání informací – CNS – učení, paměť Výstupní odpověd motorická nejrychlejší - jednoduché reflexní dráhy– míšní úroveň; nejpomalejší – centrální úroveň ; - humorální (chemická) pomalá – sekrece žláz, hormonů…. Plasticita (přizpůsobivost) NS -velmi důležitá vlastnost - různá reakce v závislosti na biologickém významu vstupního signálu

CENTRÁLNÍ NERVOVÝ SYSTÉM CNS – hlavní řídící systém organismu tvořený mozkem (cerebrum) a míchou (medulla spinalis). Působí na činnost všech orgánů a tkání v těle a koordinuje ji podle okamžitých potřeb celého organismu tak, aby v proměnlivém vnějším prostředí zůstala zachována stálost vnitřního prostředí (homeostáza). Struktury CNS jsou dobře chráněny lebkou, a sloupcem obratlů. Mezi kostí a tkáněmi CNS jsou tři mozkové pleny (meningy) tvořící vak, v němž měkké tkáně CNS “plavou” v mozkomíšním moku (cerebrospinální tekutině), který cirkuluje i v dutých částech uvnitř CNS, tj. ve čtyřech mozkových komorách a v centrálním kanálu míšním. V CNS rozlišujeme šedou hmotu, tvořenou hlavně těly neuronů bílou hmotu, tvořenou hlavně axony (nervovými vlákny) jádra (nuclei) - anatomicky rozlišitelné shluky nervových buněk uvnitř CNS ganglia - shluky nervových buněk vně CNS Přenos informace mezi nervovými buňkami - prostřednictvím chemických látek, tzv. neuropřenašečů, uvolňovaných z nervových zakončení v místech vzájemného kontaktu nazývaných synapse.

Anatomické části CNS Mícha - sloupce šedé hmoty v centrální části - sloupce bílé hmoty, které šedou hmotu obklopují hřbetní (dorsální) část šedé hmoty obsahuje interneurony břišní (ventrální) polovině jsou hlavně motoneurony. Nervová vlákna bílé hmoty vytvářejí vzestupné (ascendentní, aferentní) a sestupné (descendentní, eferentní) míšní dráhy - oboustranný přenos informace mezi míchou a mozkem, mezi jednotlivými segmenty míchy. míšní nervy (nervi spinales), u člověka 31 párů. Funkce míchy - koordinovat jednoduché míšní reflexy, zprostředkovat oboustranné spojení mozku s kůží, kosterními svaly a vnitřními orgány. Mozek obratlovců se skládá z pěti částí: koncový mozek (telencephalon) mezimozek (diencephalon) střední mozek (mesencephalon) mozeček (cerebellum) prodloužená mícha (myelencephalon) párové hlavové nervy (nervi craniales), u člověka 12 párů.

Typy buněk v CNS NEURONY - v CNS asi 100 miliard Funkce - příjem a zpracování vstupních informací, - kódování, vedení a přenos výstupní informace - ukládání informace GLIE - důležitá součást CNS - jejich počet několikanásobně převyšuje počet neuronů Funkce - udržení stálosti vnitřního prostředí v CNS, dúležitá součást HEB, uvolňují do svého okolí také tzv. neuromodulátory a růstové faktory, tj. chemické látky, které nepůsobí jako neuropřenašeče, ale výrazně ovlivňují vývoj a funkční stav nervových buněk. Ependymové buňky - mozkové blány, výstelky komor Nediferencované buňky (kmenové) - schopny proliferace, diferenciace po celý život, v tzv. germinálních zónách (vnitřní strana ependymové výstelky hlavně třetí mozkové komory. Význam nejasný, uplatňují se zřejmě při některých paměťových procesech a při obnově malých poškození CNS.

Typy neuronů 24 h Podle tvaru a velikosti např.: Pyramidové – velké, dlouhý myelinizovaný axon – vedou signál na větší vzdálenosti Interneurony – malé – jsou vloženy mezi velké neurony, většinou inhibiční Košíčkové - střední, hodně rozvětvený axon – přenášejí signál na více neuronů Typy neuronů Hipokampus Podle funkce Inhibiční – hyperpolarizují membránu následné buňky (-) Excitační – depolarizují membránu další buňky (+) Podle typu mediátoru (přenašeče) Glutamátové (+) Cholinergní (+) Dopaminergní Serotoninergní (+) GABAergní (-) Aktivační(excitační) neuropřenašeče - ligandem je ACh, glutamát či serotonin, tekou jimi Na+ a K+, někdy i Ca2+ Inhibiční neuropřenašeče – ligandem je GABA, glycin (tekou jimi Cl- nebo K+) 24 h Golgi silver impregnation - obarven každý 50tý neuron

Gliové buňky (NEUROGLIA) důležité pro výživu a činnost neuronů PNS CNS ASTROCYTY OLIGODENDROCYTY MIKROGLIE EPENDYMOCYTY PNS SCHWANNOVY BUŇKY GANGLIOVÉ SATELITNÍ BUŇKY FUNKCE udržování stálého vnitřního prostředí CNS (homeostáza) (astrocyty). vytváření hematoencefalické bariéry (HEB) (astrocyty). skladování zásobních látek – výživa neuronů - převádějí metabolity z kapilár do neuronů (perivaskulární nožky) (astrocyty). produkce růstových a trofických faktorů (astrocyty). myelinizace – tvorba myelinové pochvy axonů (oligodendrocyty) fagocytóza (mikroglie) Produkce mozkomíšního moku (výstelka mozkových komor) (ependymocyty)

Astrocyty int les Podle uložení a tvaru se dělí na : vláknité astrocyty - uloženy v bílé hmotě CNS , dlouhé, tenké a málo se větvící výběžky protoplazmatické astrocyty převažují v šedé hmotě a mají kratší a bohatě se větvící výběžky. Mnoho astrocytových výběžků končí rozšířeními (nožkami) na povrchu kapilár a na těle neuronů Další funkce odstraňují přebytek draslíkových iontů z extracelulárního prostoru (činností Na-K-ATPázové membránové pumpy) podílejí se na vazbě mediátorů uvolňovaných v synapsích - obklopují synaptické kontakty modifikují práci neuronů (synaptického přenosu?) int les Při poškození CNS (traumatická, infekční, neurodegenerativní) se množí, stávají se fibrózní, migrují, vytvářejí gliovou jizvu (ochrana), zvýšují produkci trofických a růstových faktorů.

Vedení a předávání informací elektricky chemicky Základem je membrána schopná reagovat na změny chemických a elektrických gradientů a generovat a vést tzv. akční potenciály (AP)

Typy iontových kanálů stále otevřené - 2P draslíkové kanály se 2 funkčními podjednotkami, (spolu s Cl- kanály jsou základní pro klidový MP) řízené napětím (napěťově ovládané) – Na+,Ca2+, K+, Cl-, H+ - mají napěťový sensor a otevírají se (někdy zavírají - např. K+ kanály v dendritech neuronů) depolarizací, podrážděním řízené chemicky – receptor-kanál; mají vazebné místo pro ligand (receptor), většinou pro neuropřenašeče: receptory ionotropní - kanál pro ionty receptor metabotropní - spřažený s G-proteiny. řízené změnou pH - (bolest), fosforylačním stavem aj. řízené mechanicky - kanály vláskových buněk v uchu řízené jinými formami energie – např. tepelnou energií

Podstata biopotenciálů PAMATOVAT: vnitřek buňky minus, vnějšek plus; hlavní kationty uvnitř K+, vně Na+. Vnitřek je vzhledem k vnějšku elektricky záporný. Na polaritě se podílí hlavně záporně nabité molekuly, které nemohou volně procházet membránou a jsou drženy uvnitř buňky (ATP, záporně nabité zbytky postranních aminokyselin proteinů aj.). A- Na+ K+ Cl- + - V klidu je membrána propustná pro draslík, je otevřeno mnoho draslíkových kanálů různého typu Klidový MP = dynamický rovnovážný stav = vyrovnání elektrického a chemického gradientu (elektrochemická rovnováha) Při akčním potenciálu se otevírají dosud zavřené sodíkové kanály, sodík vstupuje dovnitř buňky @-F.Vyskocil 2006

Elektrické signály v NS LOKÁLNÍ POTENCIÁLY NEBO PROUDY- gradované, (stupňované), šířící se s úbytkem (generátorové nebo receptorové potenciály) - na sensorických zakončeních - reakce na sílu podnětu, přeměna energie např mechanické - při ohnutí lokte či vlásků v Cortiho orgánu nebo tepelné na elektrickou -na synapsích (post)synaptický potenciál (proud), stupňovaný podle počtu vyloučených kvant neuropřenašečů: inhibiční (hyperpolarizace po několik ms postsynaptické membrány - otevírání Cl kanálů) aktivační (depolarizace - otevírání Na kanálů nebo Na-K kanálů) podle počtu aktivních receptorů na postsynaptické membráně 2. AKČNÍ POTENCIÁLY (impulsy) aktivně se udržují otevíráním Na-kanálů

Synaptický potenciál – sumace „kanálových“ potenciálů Haines, Fundamentel Neuroscience, 1997, p. 45

Akční potenciál  je aktivní odpověď buňky na dráždění, depolarizační vlna, která se šíří membránou vzrušivé buňky Vzrušivá membrána - schopna generovat a vést vzruch, akční potenciál (AP) Pomocí AP buňka kóduje a přenáší informaci o celkové délce a síle podráždění (suma jednotlivých signálů): odpověď „vše nebo nic“ (kód 0 1) Latence – doba od počátku dráždění do vzniku AP (daná silou a délkou dráždění, synaptickým „zdržením“) Frekvence AP na časové ose (0111100011010001….)   Práh vzrušivosti membrány (excitabilita) = velikost změny napětí nutné pro vznik AP (změna elektrochemického potenciálu membrány) neuron - synaptický potenciál depolarizace membrány - práh nižší (membrána vzrušivější) hyperpolarizace membrány - práh vyšší (zvýšený práh dráždivosti, snížená citlivost)

následná hyperpolarizace Fáze AP   následná hyperpolarizace přestřelení práh ENa+= +66 mV EK+= -90 mV klidový MP = - 70 mV Membránový potenciál D 15 mV absolutní relativní refrakterní fáze 1-2 ms Tvar AP je dán charakteristickou časovou posloupností otevírání sodíkových, draslíkových (vápníkových) kanálů. @-F.Vyskocil 2006

Spontální aktivita neuronu - intracelulární registrace

Nervová buňka - neuron je analogově-digitální převodník: vyhodnocuje jednotlivé analogové vstupy (příspěvky jednotlivých synapsí). Výsledkem je aktivní odpověď neuronu – akční potenciál. Ten buď vznikne (1), nebo ne (0)  je to digitální výstup, odpověď „všechno nebo nic“. Sumuje a kóduje vstupní informaci (latence, frekvence, amplituda AP) a předává ji dál, případně část informace ukládá.

Frekvenční kódování - extracelulární záznam Complex spikes

iniciální segment (IS) Stavba neuronu Vstupní membrána vs. iniciální segment a axon vstupní membrána - malé množství napěťově ovládaných Na+ kanálů, proto nevzniká AP - ideální pro přijímání a vyhodnocování (chemických) signálů. Iniciální segment -velké množství napěťově závislých iontových kanálů - vzniká AP iniciální segment (IS)

Rychlost vedení el. impulzu závisí na Vedení vzruchu Rychlost vedení el. impulzu závisí na - průměru vodiče - jeho izolaci Nemyelizovaná vlákna pomalé vedení signílu v NS asi 40% axonů Myelizovaná (izolovaná) vlákna - saltatorní vedení (Ranvierovy zážezy), rychlé vedení

Šíření signálu „skokem“ Zlepšení izolace = zvýšení odporu membrány Myelinová pochva = navinutí mnoha vrstev membrány oligodendrocytů v CNS a Schwannových buněk v periferii (regenerace) Ranwierovy zářezy -proud „přeskočí“ (saltatorní vedení ) do dalšího až 1-2 mm vzdáleného Ranwierova zářezu (minimální ztráta), tam velká hustota Na-kanálů - zesílení- otevření Na kanálů, vznik AP (proudu) out Myelizovaná vlákna - bez dekrementu, rychle, v NS asi 60%

Elektroneurogram smíšeného nervu NM M Průřez nervem, zv. 57 tis.x M-myelinizovaný, NM - nemyelinizovaný axon (Piters a spol. 1972) Dělení vláken podle Erlangera a Gassera (číselné podle Lloyda) Vlákna kategorie A –myelinizovaná, 4 podskupiny Vlákna kategorie B –myelinizovaná pregangliová vegetativní Vlákna kategorie C –nemyelinizovaná postgangliová vlákna sympatiku (CS), dostředivá vlákna pro bolest Cd.r. – dorsal roots

Funkce a charakteristika vláken

Elektrické pole dipólu Sumace aktivity = EEG a vlny – v klidu d vlny - spánek Bureš et al., 1967 El. Methods in Biol. Res.

Záznam AP z n. sciaticus (žába) Bureš et al., 1967 El. Methods in Biol. Res.

Axonální transport Axonální transport (axoplasmatický, axonový transport) Anterográdní Proteosyntéza v buněčném těle (ER, Golgiho komplex) Retrográdní Přenos chemických signálů z periferie neuronu k tělu

Přenesení informace na další buňku – synapse GAP JUNCTION – elektrická synapse otevřená/zavřená konformace konexinových proteinů kontrolována koncentrací intracelulárního Ca2+, hodnotou pH nebo hladinou cAMP (teoreticky) obousměrná elektrická i metabolická komunikace mezi buňkami, v CNS savců propojují glie (astrocyty, oligodendroglie) a neurony (v hematoencefalické bariéře se mohou účastnit transportu látek krev-neuron) v sítnici mohou propojovat tyčinky a čípky, čípky navzájem, horizontální buňky navzájem s mutacemi konexinových genů se pojí poruchy excitability CNS nebo např. některé typy hluchoty, šedého zákalu konexin

Gap junction jaterní buňka 1 jaterní buňka 2 Těsné skulinové spojení /gap junction) mezi dvěma jaterními buňkami. Mezera mezi buňkami je asi 2 nm, téměř u spodní hranice rozlišovací schopnosti elektronového mikroskopu.

Chemická synapse evolučně výhodnější pre- evolučně výhodnější post- umožňuje směrovat tok informace (nevzniká chaos) presynaptický element chemické synapse je menší než postsynaptický: inofrmace se rozšíří na mnoho dalších postsynaptických elementů celé řady vstupů se integrují na těle jediné buňky (stupňovaná odpověď na tzv. vstupní membráně) snadno modulovatelná (ovlivňování vstupů chemickými látkami); farmaka cíleně zasahují synapse určitého typu, tj. přenos určité informace

Synapse - neuropřenašeče (transmitery) Synapse rozdělujeme Podle typu neuropřenašeče: aktivační (excitační) - depolarizace membrány (Na+ kanály) inhibiční - hyperpolarizace membrány (Cl-) Podle místa: axo-somatické axo-dendritické axo-axonální Aktivační(excitační) neuropřenašeče - ligandem je ACh, glutamát či serotonin, tekou jimi Na+ a K+, někdy i Ca2+ Inhibiční neuropřenašeče – ligandem je GABA, glycin (tekou jimi Cl- nebo K+) inhibiční synapse excitační synapse neuron Váží se na ligandem řízené iontové kanály, které otevírají. každý neuron – jen jeden typ přenašeče

Chemická synapse - přenos vzruchu př. glutamátová excitační synapse glie Neuropřenašeč- neurotransmiter Synaptické váčky -vesikuly Synaptická štěrbina vzruch presynaptická část (synaptický knoflík) Ca+2 postsynaptická část (dendritické trny)

Potenciálové změny v oblasti iniciálního segmentu EPSP IPSP 10-100 tisíc synapsí na 1 neuronu Interakce všech synaptických potenciálů  Prostorová sumace – proudy z mnoha vstupů se sčítají Časová sumace – jestliže AP přichází v kratším intervalu, než je trvání EPSP Kódování výstupní informace latence, frekvence

Časová a prostorová sumace signálů Časová sumace synaptických potenciálů Prostorová sumace synaptických potenciálů excitačních excitačních + inhibičních

Neuronové sítě Sumace potenciálů vyvolává: = anatomický podklad základních dějů při zpracování informace Divergence (sbíhavost) signálu Konvergence (rozšíření) signálu Sumace potenciálů vyvolává: inhibici – ztížení průchodu signálu facilitaci – usnadnění Plasticita CNS: modifikace zpracování signálů zpětná vazba

Plasticita CNS schopnost přizpůsobit se (přizpůsobivost) Systémová úroveň aferentní - ztráta čidla (oko), část končetiny (prsty) rozšíření korového představenstva eferentní – poškození části CNS (sensorimotorická kůra) funkci přebírá okolní kůra Buněčná úroveň Synaptogeneze - synaptický „sprouting“ – větvení (GD) ??? neurogeneze, gliogeneze ??? Funkční úroveň adaptace desenzitace - habituace (přivykání), LTD senzitizace – PTP: STP, LTP potenciace – zvýšená excitabilita NS při vysokofrekvenčním dráždění – paměť, učení habituace - přivykání– snížená excitabilita při nevýznamném opakovaném dráždění

Modulace příjmu informačního signálu krátkodobá (změna polohy a citlivosti receptorů v postsynaptické membráně; senzitace a inhibice kanálů – dočasné konformační a konfigurační změny) dlouhodobá (proteosyntéza, proteolýza, enzymy = > strukturální změny (např. ztluštění dendritických trnů - nové receptory, atd.)

Výsledný informační signál = interference celkových změn napětí v cytoplasmě (kanálový přenos na membránách; neuropřenašeče) s biochemickými procesy v neuronu ovlivněné modulačními a trofickými faktory z extracelulárního prostředí (receptory - druhý posel; neuromodulátory, trofické faktory) Výsledný informační signál inhibiční excitační časové prostorové dendritická, somatická membrána = > cytoplasmatický transport = > organely synaptický knoflík = > retrográdní axonový transport = > signalosomy = > organely (lyzosom) trofické a růstové faktory - GLIE??? Neuron glie

Reflex - odpověď na podráždění, je mimovolní monosynaptické polysynaptické vrozené - nepodmíněné získané - podmíněné Propojení neuronových sítí Reflexní oblouk patelární reflex

Klasické podmiňování nepodmíněná odpověď podmiňování podmíněná odpověď jídlo slinění jídlo+zvuk slinění zvuk slinění Ivan Petrovič Pavlov

Poruchy spojené s transmitery a jejich receptory Parkinsonova choroba - nedostatečnost dopaminergních neuronů v SN - basální ganglia vede k parkinsonismu, poruchám motoriky (dnes i gen LRRRK1 na dědičnou formu) úzkost a deprese - nedostatek NA i SER. Moderní antidepresiva SSRI (specific serotonine reuptake inhibitors) (fluoxetin, Prozac, u nás Deprex). Tricyklická antidepresiva -starší Alzheimerova choroba - poruchy cholinergního systému – špatná prostorová paměť, orientace v prostoru a čase SCHIZOFRENIE Haloperidol úzkost-thalamus strach-amygdala Paměť – hipokampus Lépe si pamatujeme citově závažné události

Některá dogmata v neurofyziologii… - mozkových buněk ubývá - ztráta paměti je přirozeným projevem stáří - CNS není schopen regenerace, veškerá poškození jsou nevratná Některá opodstatněná přísloví….. „Opakování matka moudrosti“ „Ve zdravém těle zdravý duch“