Základy excitability NS

Klidový membránový potenciál Přítomen u všech buněk Změny elektrického potenciálu podstatou přenosu a zpracování informací neuronů Nerovnoměrné rozložení iontů na membráně Semipermeabilita membrány Pohyb iontů přes membránu ovlivňován Pasivně Koncentračním gradientem Elektrickým gradientem Aktivně Elektrogenní Na+ /K + pumpou

Rovnovážné potenciály Potenciální rozdíl, který brání difuzi iontů podél koncentračního gradientu Kalkulace podle Nernstovy rovnice E = RT (iont) ECT ln FZ (iont) ICT

Konstanty Nernstovy rovnice R – universální plynová konstanta (8,31 joulů/mol/oK T – teplota ve oK (273 + oC) F – Farradayova konstanta (náboj/mol: 96,500 coulombů/mol) Z – valence iontu ICT – intracelulárně ECT - extracelulárně

Výpočet klidových membránových potenciálů EK+ ENA+ ECl- ECa++ Ln . 2,3 = log10

Výpočet membránového potenciálu Neuronální membrána je různě propustná pro různé ionty Tyto ionty přispívají ke vzniku klidového membránového potenciálu podle svých propustností Goldmanova rovnice

Goldmanova rovnice Em RT F ln PK(K+)o + PNa (Na+)o + PCl(Cl)o = RT F ln PK(K+)i + PNa (Na+)i + PCl(Cl)i P – propustnost, permeabilita, dána vlastnostmi iontových kanálů PK : PNa PCl = 1 : 0,04 : 0,45

Snímací elektroda v ICT Membrána Axon První intracelulární měření – obří axon sepie - 0,5 mm Experimentální verifikace

Snímací el. Průnik membránou Intracelulární snímání skleněnou elektrodou

Nervový vzruch Podmíněn přítomností napěťově řízených iontových kanálů pro Na ms depolarizace membránového poteniálu s následnou repolarizací - odpověď vše nebo nic Depolarizace nesena Na, repolarizace K

Depolarizace Hrot AP Repolarizace Napětí (mV) Afterpotential Čas (msec)

A C Práh Práh Stimulus B Práh Stimulus Stimulus

+5 mV -70 mV 0 mV -60 mV -60 mV

Napěťový zámek Průtok iontů přes membránu Referenční elektroda Snímací elektroda Iontový proud Elektroda regulující napětí Axon Napěťový zámek

Akční potenciál - spike 2 4

Terčíkový zámek Zámková elektroda Měření proudu Skleněná mikroelektroda Referenční elektroda ICT Iontový kanál

Terčíkový zámek Umožňuje studovat vlastnosti jednotlivých iontových kanálů Iontové kanály se zavírají a otevírají rychle a v různý čas Otevírání a zavírání kanálů je řízeno pohybem jednoho transmembránového segmentu (S4) v závislosti na změnách membránového potenciálu

Změny proudu během otevření kanálu stimulus Souhrnný potenciál Terčíkový zámek Tok proudu Na kanály po depolarizaci

Registrace napětí Na kanálm Podjednotka S4 doména Centrální pór Klidová membrána Depolarizovaná membrána Registrace napětí Na kanálm

Registrace napětí napěťově řízenými Na kanály Na kanál má dvě brány, které spolu interagují Aktivační a inaktivační Na kanál – 4 podjednotky s centrálně umístěnou S4 jednotkou v centru každé podjednotky při depolarizaci membrány se S4 jednotky vysunou a otevřou pór (aktivace) inaktivace nastupuje po krátké době aktivace a uzavírá kanál aminokyselinová smyčka, která překáží v dutině kanálu v klidu je inaktivační brána otevřená pór je uzavřen

Refrakterní perioda Období, kdy nelze vyvolat AP Absolutní – během repolarizace membrány Relativní – během přestřelení – stimulus musí být silnější, práh dráždivosti je vyšší Období, kdy je aktivována inaktivační brána a S4 domény vysunuty Po odeznění depolarizace dochází ke konformačním změnám, které Otevírají inaktivační bránu a Zasouvají S4 domény

Vliv refrakterní periody na intenzitu stimulu Práh dráždivosti Intenzita stimulu potřebná k vyvolání AP

K kanály Napěťově řízené Odlišné vlastnosti Jednu bránu Otevírá se při depolarizaci a uzavírá se při repolarizaci Pomalu se otvírají, ale dlouho otevřené Pomalu se inaktivují

Rozmanitost iontových kanálů Liší se Fyziologicky (kinetika otvírání a zavírání) Strukturálně Na napěťově řízené kanály relativně velmi podobné K napěťově řízené kanály extrémní variabilita Typy kanálů podmiňují mnoho neuronálních vlastností Práh dráždivosti Refrakterní perioda Pacemakerová aktivita

Typy K kanálů K kanály KA kanály KCa kanály KIr kanály KM kanály KS kanály KAch kanály

Šíření akčního potenciálu Vedení nervového vzruchu nemyelinizované vlákno Depolarizace se šíří podél vlákna I směrem, odkud AP přišel Na kanály jsou tu inaktivované a Proto se AP zpět nešíří Rychlost vedení je závislá na velikosti vlákna – větší vlákna mají nižší odpor

Efekt myelinizace Myelin ovlivňuje rychlost vedení snižuje kapacitu membrány = schopnost uchovávat elektrický náboj kapacita snižuje napětí, které se může šířit a depolarizovat sousední úseky membrány Nižší kapacita – vyšší rychlost vedení Saltatorní vedení AP depolarizace se šíří ve skocích mezi Ranwierovými zářezy vysoká hustota napěťově řízených Na kanálů absence jiných kanálů

Myelin Axon Ranwierův zářez Tok proudu na myelinizovaném axonu během AP

Energetické nároky na vedení nervového vzruchu Vedení AP není přímo závislé na energii Využívá se energie membránového potenciálu Energie je potřebná pro jeho udržování

Synaptický přenos

Proces přenosu informace z jednoho neuronu na druhý Elektricky přímý přenos polarizace na postsynaptický neuron, rychlé, bez mediátoru, nepotřebuje receptory Chemicky Klasický synaptický přenos mediován ionotropními receptory, 0,5-1,0 ms synaptické zdržení Excitační – depolarizace postsynaptického neuronu Inhibiční – hyporpolarizace postsynaptického neuronu Nuromodulační mediován metabotropními receptory, mění odpověď postsynaptického neuronu k jiným signálům

SEM axonů se synapsemi na postsynaptickém neuronu

Elektrický synaptický přenos Umožňuje přímý tok proudu (iontů) z jednoho neuronu na druhý Vyžaduje přítomnost nízkoodporových iontových kanálů (gap junctions) mezi presynaptickým a postsynaptickým neuronem Nejrychlejší přenos informace – nejrychlejší odpověď postsynaptického neuronu Umožňuje synchronní odpověď více postsynaptických neuronů

A Iontový proud B Iontový proud

EM elektrické synapse Podélný řez Příčný řez

Chemický přenos Zahrnuje uvolnění mediátoru presynaptickým neuronem, difusi synaptickou štěrbinou a působení na postsynaptický neuron Pomalejší, ale umožňuje modifikaci či modulaci odpovědi Odpověd postsynaptického neuronu na přenašeč závisí na povaze a vlastnostech receptorových proteinů Variabilita receptorů umožňuje variabilitu odpovědi Odpověď receptorů může být modulována v závislosti na zkušenosti

5 fází chemického synaptického přenosu 1 Syntéza mediátoru 2 Skladování 3 Uvolňování 5 Inaktivace 4 Postsynaptické působení 5 fází chemického synaptického přenosu

Ligand sensitive receptors Odpověď postsynaptického neuronu je zahájena navázáním mediátoru (ligandu) na receptory závisí na typu aktivovaných iontových kanálů tj. na typu iontů, které aktivovanými kanály protékají nezávisí na typu mediátoru Některé mediátory excitační i inhibiční Hustota ligand sensitivních kanálů je vysoká na postsynaptické membráně

nAch receptor Nejprobádanější ligand sensitivní receptor nervosvalové spojení, periferní NS obratlovců, CNS obratlovců i bezobratlých nAch receptor je kanálem 5 podjednotek: 2 alfa, 1 beta, gama, delta Váže 2 Ach (alfa a beta, alfa a gama) Zvýšení propustnosti pro Na a K a trochu Ca Desensitizace - pomalá strukturální změna receptoru – snížení citlivosti na ligand Recovery vyžaduje periodu bez přítomnosti ligandu

Nikotinový acetylcholinový receptor Vazebná místa receptoru A 8 nm B 6 nm 14 nm Membrána 4 nm Nikotinový acetylcholinový receptor

Excitační synaptický přenos Depolarizace postsynaptického neuronu – excitační postsynaptický potenciál, EPSP (nervosvalové spojení = ploténkový potenciál, EPP) Reversal potential = membránový potenciál, kdy je EPSP (příp. i IPSP) roven nule Potenciál, kdy jsou v rovnováze síly působící na pohyb iontů přes iontové kanály a těmi neprotéká žádný proud Používán k analýze iontového základu EPSP

Reversal potenciál Membránový potenciál (mV) 62 31 16 -4 -10 -18 -22

EPSP Time (msec) 10 20 Membránový potenciál (mV) Náboj Na+ K+ Obratlovčí neuron, AP potlačeny TTX Time (msec) 10 20 Membránový potenciál (mV) Náboj Na+ K+

Vznik AP na postsynaptickém neuronu Excitační synapse obvykle na dendritech - nemají napěťově řízené Na+kanály – EPSP nemůže vyvolat AP EPSP se šíří elektrotonicky (s úbytkem) podél těla neuronu AP vzniká v tzv. iniciační zóně, úpatí axonu, je-li depolarizace dostatečně veliká.

Excitační synapse Axonový hrbolek Axon Iniciační zóna Tělo neuronu Šíření depolarizace

Inhibiční synaptický přenos Hyperpolarizace postsynaptického neuronu – IPSP - snižuje pravděpodobnost vzniku AP Výtok K+ nebo vtok Cl- podle typu aktivovaných kanálů - přechodné zvýšení záporného náboje v buňce V některých případech může být IPSP depolarizační, ale přesto brání vzniku AP

Membránový potenciál (mV) IPSP Membránový potenciál (mV) Čas (msec) Náboj Náboj

Inhibiční neuron Excitační neuron Axonový hrbolek Axon Iniciační zóna Tělo neuronu Pohyb kladných iontů Pohyb záporných iontů

Presynaptická inhibice Postsynaptická inhibice - snižuje schopnost neuronu odpovídat na všechny podněty Presynaptická inhibice = selektivní snížení citlivosti k určitého podnětu Snižuje množství uvolňovaného mediátoru snížení citlivosti napěťově řízených Ca++ kanálů k depolarizaci Zvýšení vodivosti presynaptické membrány k Cl- iontům – snížení velikosti AP a tím snížení množství uvolňovaného mediátoru Pre i post-synaptická inhibice mohou být mediovány stejným mediátorem - GABA Vlastnosti iontových kanálů jsou však rozdílné

Presynaptická inhibice Excitační neuron Inhibiční neuron Excitační neuron je presynaptický i postsynaptický Presynaptická inhibice

Neuromodulační synaptický přenos Mnohé synapse „jenom“ přenáší informaci Většina však ovlivňuje metabolismus nebo způsob odpovědi neuronu na jiné vstupy - prostřednictvím metabotropních receptorů Méně výrazné EPSP nebo IPSP Aktivace vnitrobuněčných sekundárních mediátorů - ty aktivují biochemické pochody v postsynaptickém neuronu - déletrvající pochod

Srovnání neuromodulačního a klasického synaptického přenosu Neuromodulace Second messenger Přímý postsynaptický efekt trvá stovky ms až dny Sekundární efekt trvá dny Postsynaptické jevy jsou pomalé a slabé Klasika Efekt zprostředkován přes přímo kontrolované kanály Postsynaptické jevy trvají desítky ms Žádný sekundární efekt Postsynaptické jevy jsou rychlé a silné

Mechanismus neuromodulace Detaily rozmanité, společné vlastnosti: Aktivace G proteinu zahrnuje cyklus disociace molekuly a následného opětovného sjednocení výsledkem cyklu je produkce sekundárního mediátoru kontrola biochemických reakcí neuronu následná kontrola iontových kanálů zesílení reakce

Působení na kanály nebo aktivace sekundárních mediátorů Receptor A - inaktivovaný G protein - afinita k GDP D Defosforylace GDP B Navázání ligandu vede k záměně GDP za GTP GTP GTP GDP PO4 C Disociace podjednotek GTP Působení na kanály nebo aktivace sekundárních mediátorů

Sekundární mediátory Výsledkem aktivace sekundárních mediátorů je fosforylace membránového kanálu a změna jeho propustnosti (proteinkináza) Mediátory a proteinkinázy: cAMP – cAMP dependentní proteinkináza (proteinkináza A = PAK) cGMP – cGMP dependentní proteinkináza Diacylglycerol – fosfolipid-dependentní protein kináza (proteinkináza C), IP3 - calcium dependentní proteinkináza

Adenylátcykláza Aktivace receptoru GDP Aktivace G proteinu GTP Produkce cAMP GTP cAmp ATP cAMP Aktivace proteinkinázy Biochemické reakce vedoucí k fosforylaci iontových kanálů P P cAmp Fosforylace kanálu Proteinkináza

Funkční význam neuromodulace Déletrvající efekt na postsynaptický neuron Mění způsob jak neuron odpovídá Adaptace na změněné podmínky Významné pro učení a paměť Trvá hodiny až týdny

Inaktivace mediátoru v synaptické štěrbině Difuze Enzymatická degradace Zpětné vychytávání

Inaktivace mediátorů - enzymatická degradace Ach – acetylcholinesteráza - cholin v extracelulární matrix svalové pochvy kolem synaptické štěrbiny Součást pre- i postsynaptické membrány v CNS Organofosfátové nervové plyny – blokují Ach-esterázu respirační selhání bronchiální konstrikce Ach mediátor respiračního centra mozkového kmene, Ach mediátor vegetativního NS desensitizace Ach receptorů na nervosvalovém spojení Monoaminy Catechol-O-methyltransferáza (COMT) monoamine oxidáza (MAO)

Inaktivace mediátorů – zpětné vychytávání Speciální transportní mechanismy v membráně Většinou pre-, ale často i postsynaptického neuronu Fungují jako sací pumpa Až 50 % uvolěného mediátoru - v sec Recyklace mediátoru Mechanismy inaktivace mediátoru často spřažené Cholin na nervosvalovém spojení - zpětně vychytáván

Mediátory a jejich uvolňování

Chemická komunikace mezi neurony závisí nejen na odpovědi postsynaptického neuronu, ale také na Syntéze mediátoru Způsobu skladování Způsobu uvolňování

Synaptické měchýřky a úloha Ca++ Katz a Miledi 1960s – sépie synaptický přenos lze potlačit Blokádou vedení AP v presynaptickém neuronu TTX Snížením koncentrace extracelulárního Ca++ Klíčové faktory pro synaptický přenos Míra depolarizace presynaptického neuronu Dostupnost volných Ca++ iontů v extracelulárním prostoru tekou napěťově řízenými kanály dovnitř presynaptického zakončení a umožňují uvolňování synaptických měchýřků do extracelulárního prostoru

A B AP presynaptický (mV) Presynaptický neuron Postsynaptický neuron EPSP postsynaptický (mV) TTX v různých dávkách

Miniaturní ploténkové potenciály 2 mV Čas (sec)

Mg Mediátor - uvolňován v kvantech = objem synaptického měchýřku Distribuce EPSP pod Mg Mediátor - uvolňován v kvantech = objem synaptického měchýřku Množství kvant se liší Nervosvalové spojení - cca 200 kvant Ach měchýřek - cca 10 000 molekul autonomní nervy 10-20 kvant Prokázáno spontánní uvolňování mediátoru i v nepřítomnosti presynaptické depolarizace Mg Počet EPSP dané amp. Ploténkový potenciál (mV)

Synaptická štěrbina Synaptické váčky

Molekulární základ uvolňování Měchýřky jsou v presynaptickém zakončení vázány na aktinová vlákna cytoskeletu (storage pool) a musí být převedeny do formy vhodné k uvolnění (release pool) Mobilizované měchýřky řazeny poblíž presynaptické membrány – docking Depolarizace měchýřky uvolní Měchýřky splývají s presynaptickou membránou a Mediátor je uvolněn do extracelulárního prostoru

Úloha Ca++ při mobilizaci Depolarizace presynaptického zakončení otevírá napěťově řízené Ca++ kanály, Extracelulární Ca++ teče do nitra buňky Ca++ dependentní proteinkináza fosforyluje protein synapsin I – uvolnění měchýřků z cytoskeletu Mechanismy transportu a uskladňování neznámé

Ca++ Imaging Iontoforetická elektroda - aplikace GLU Fura-2 Neuron hippokampu Dendrit a tělo

EM Interakce proteinů účastnících se fůze měchýřku s presynaptickou membránou vede ke vzniku kanálů – v EM zobrazované jako oválné elementy (particles) Měchýřky skladovány ve 2 řadách poblíž těchto kanálů

A - EM vnitřní části membrány presynaptického neuronu Měchýřky Oválné partikule Ca kanály A B B - EM vnější části membrány presynaptického neuronu

Intracelulární prostor presynaptického neuronu Membrána synaptického váčku Membrána presynaptického neuronu Synaptotagmin SNAP Syntaxin Synaptický váček SNAP-25 SNAP – soluble attachement protein SNAP NSF VAMP Intracelulární prostor presynaptického neuronu

Proteiny docking a release Cytoplasma NSF – N-ethylmaleimide sensitive factor SNAP – soluble NSF attachement protein Vesikulární membrána V-SNARE – vesicular SNAP V-SNARE – vesicular SNAP - synaptotagmin VAMP – vedicle-assciated membrane protein = synaptobrevin Presynaptická membrána T-SNARE – target membrane SNAP receptor SNAP-25 – 25 kdalton synaptosomal-associated protein

Mechanismus fúze Ca++dependentní Vnitřek synaptického měchýřku Membrána měchýřku Presynaptická membrána Synaptotagmin Synaptobrevin SNAP NSF SNAP-25 Syntaxin Synaptická štěrbina Mechanismus fúze Ca++dependentní Schema fuze

Fůze vede k tvorbě póru Pór existuje přechodně - několik msec Tetanus a botulotoxin – neurotoxiny působí na tvorbu póru – Tetanus brání uvolnění inhibičních mediátorů z inhibičních neuronů v míše, nekontrolované svalové kontrakce Botulinum brání uvolnění mediátoru z motorických neuronů - paralýza

Osud synaptických měchýřků Membrána měchýřků se stává součástí membrány presynaptického neuronu Povrch membrány presynaptického neuronu se po uvolnění mediátoru zvětší Zvětšený povrch synapsí by mohl být základem pro učení a paměť Zvětšení povrchu ale neodpovídá počtu uvolněných měchýřků Existuje mechanismus, který část presynaptické membrány odstraňuje a transportuje zpět do nitra neuronu Recyklace zpět do synaptických měchýřků

Presynaptický neuron Postsynaptický neuron Měchýřky Synaptická štěrbina

Uvolňování mediátoru „nonspiking“ neuronů Neurony, které nemají napěťově řízené Na+ kanály Retina obratlovců: čípky, tyčinky, horizontální a bipolární bb. Vnitřní ucho Postranní čára ryb Čichový lalok Interneurony obvodů motorických programů bezobratlých Smyslové neurony Uvolnění mediátoru řízeno depolarizací presynaptického zakončení – odstupňované uvolňování Některé neurony uvolňují mediátor oběma způsoby – AP i odstupňovaně

Plnění měchýřků Těla neuronů nebo synaptická zakončení Mediátor je syntetizován a plněn do měchýřků synaptickém zakončení PLNĚNÍ - clear vesicles (40-50 nm, na EM průhledné, oválné nebo sférické) nejprve transport H+ do nitra měchýřku (potřebuje ATP) – vzniká protonový gradient transportní proteinen v membráně měchýřku pak vymění molekulu mediátoru za H+ PLNĚNÍ dense core vesicles 70-200 nm, EM – vzhled pevné částice, sférické plněny peptidickým mediátorem – syntéza v Golgiho systém buněčného těla, plnění a syntéza současně

Mitochondrie Postsynaptická buňka Synapse Dense core měchýřky Clear vesicles Presynaptická buňka

Chemie neuromediátorů Mediátorem je látka splňující následující kriteria Syntéza, uchovávání a uvolňování z presynaptického neuronu Iontoforetická aplikace mimikuje efekt přirozeného mediátoru Neurony mohou obsahovat syntetické dráhy pro více než jeden typ mediátoru Několik mediátorů může být zabaleno do jednoho měchýřku Aminokyselinové mediátory z diety

Hlavní neuromediátory Aminokyseliny - kyselá a NH2 (amino) skupina Glutamát – excitační Aspartát – excitační GABA - inhibiční Aminy – aminoskupina – biogenní aminy Histamin, Octopamin, Serotonin Katecholaminy - amino- plus katecholová skupina (6C kruh s OH skupinou) Dopamin, Adrenalin (epinephrine), Noradrenalin (norepinephrine) Peptidy Proktolin (bolest), endorphiny, Jiné Ach, ATP, NO, CO

Terminologie Adrenergní Katecholaminergní Cholinergní Muskarinové – Ach v CNS, AUNS, hladká a srdeční svalovina, inhibiční nebo excitační, blokáda atropinem Nikotinové – Ach perif. NS, excitační, blokovány kurare Noradrenergní Serotonergní

Biosyntéza katecholaminů Tyrosine hydroxyláza Tyrosine Aromatic L-amino acid decarboxyláza DOPA Dopamin b-hydroxyláza Dopamine Phenylethanolamine N-methultransferáza Norepinephrine Epinephrine

Biosyntéza serotoninu Tryptofan hydroxyláza Tryptofan Amino acid decarboxyláza 5-hydroxytryptofan 5-hydroxytryptamine - serotonin

Syntéza acetylcholinu Acetyl CoA Choline Choline acetyltransferáza CoA Acetylcholin

Integrace synaptické aktivity Komunikace mezi neurony není závislá jenom na excitačních a inhibičních mechanismech Důležité jsou modulační mechanismy, které aktivitu neuronů ovlivňují velmi variabilním způsobem Jeden neuron může odpovídat na dva stejné podněty rozdílně v závislosti na kontextu

Pasivní elektrické vlastnosti neuronů EPSP je dán vtokem kationtů do neuronu otevřenými iontovými kanály Rozdíl potenciálu mezi aktivovanými a neaktivními místy membrány působí na pohyb iontů – vzniká iontový proud Se zvyšující se vzdáleností od místa vzniku se jeho velikost snižuje Faktory, které toto snižování ovlivňují jsou Odpor membrány a intracelulárního prostoru Membránová kapacita

Odpor membrány neuronu Počet otevřených kanálů v membráně určuje její odpor resp. vodivost Membrány různých neuronů se liší množstvím otevřených iontových kanálů Různé částí téhož neuronu se liší Čím vyšší odpor membrány, tím dále se potenciál dostane

Kapacita membrány neuronu Vnitřní odpor neuronu = odpor neuronální cytoplasmy Čím nižší odpor tím dále se EPSP šíří Kapacita membrány neuronu Schopnost uchovávat náboj Capacitance – C Náboj Q Napětí V C = Q V

Kapacita membrány neuronu Membrána neuronu se chová jako kondenzátor 2 vodivé desky oddělené izolátorem Čím větší je kapacita membrány, tím více se membrána nabíjí a tím déle trvá než poenciál dosáhne maxima nebo se vrátí se k nule (membrána se vybije) Kapacita ovlivňuje Časový průběh i amplitudu EPSP

Elektrické konstanty neuronu Prostorová konstanta vzdálenost, kam se EPSP dostane než se sníží na 37% své velikosti, dána odporem membrány a cytoplasmy Malé neurity mají menší prostorovou konstantu než velké Časová konstanta čas, za který se EPSP sníží na 63% své velikosti Dána odporem membrány a její kapacitou Neurony mohou mít různé časové konstanty Dendrity s malou časovou konstantou - krátké EPSP Dendrity s velkou časovou konstantou - dlouhé EPSP

Buňka 1 Buňka 2 Snímací elektroda Em V1 Stimulační proud I Nižší kapacita Vyšší kapacita Em V2 Stimulační proud I

EPSP + + + + + Prostorová konstanta R R R R S 0,5 1 2 4 cm -50 mV 37% 0,5 1 2 4 cm

S R Časová konstanta -50 mV 63% 50 100 400 Čas (msec)

Sumace U většiny neuronů jsou individuální EPSP nižší než práh pro vznik AP (výjimku tvoří NSS) Většina neuronů přijímá informace mnoha synapsemi – EPSP a IPSP různých amplitud, trvání, různé zpoždění EPSP i IPSP mohou být sumovány = více podprahových EPSP může vyvolat depolarizaci iniciačního oblasti axonu a vyvolat AP atd. Sumace resp. integrační vlastnosti neuronu jsoue formovány pasivními elektrickými vlastnostmi neuronu Časová Prostorová

Prostorová sumace 1 A B různé vstupy stejný čas 1 2 C časová konstanta Tělo neuronu Snímací elektroda Dendrit Axon 2 A B Práh Práh Čím delší prostorová konstanta, tím vzdálenější synapse mohou být efektivní C Práh

Prostorová sumace 2 různé vstupy stejný čas 1 2 B A C časová konstanta Tělo 1 Denditry Snímací elektroda Axon Iniciační zóna 2 B A Práh Práh Čím delší prostorová konstanta, tím vzdálenější synapse mohou být efektivní C Práh

Časová sumace 1 1-více vstupů Různý čas 1 1 Efektivita časové sumace závisí na časové konstantě – Při delší časové konstantě EPSP trvá déle a je větší naděje na interakci s jiným 1 1

Integrace IPSP a EPSP Interakce ovlivněna elektrickými vlastnostmi neuronu Velikost a tvar výběžků neuronu utváří neuron tak, aby sloužil určité funkci v nervových okruzích Elektrické vlastnosti neuronu mohou být měněny tak, aby mohly sloužit různým potřebám NS v různém čase Rozhodování neuronu

Změny v závislosti na činnosti Stimulace Facilitace – zvýšení odpovědi postsynaptického neuronu po opakované aktivaci Záznam Odpověď postsynaptického neuronu Stimulus 0,5 s

Potenciace (min) Posttetaticná potenciace – zvýšení EPSP neuronu po tetanické stimulaci Homosynaptická Heterosynaptická EPSP Tetanická salva (20 s /50-100 Hz) EPSP Postsynaptická odpověď

Facilitace Mechanismus ne zcela objasněn - významná úloha Ca++ iontů V normálních synapsích Během synaptického přenosu – Ca++ uvolňuje měchýřky z „docking“ zóny a mobilizuje zásoby Po odeznení depolarizace je hladina volného Ca++ rychle redukována difuze, specializovaný buffer protein, vychytávání Ca++ do zásobních prostor Ve facilitujících synapsích – zůstává hladina volného Ca++ zvýšená Při opětovné stimulaci je výsledná hladina dostupného Ca++ vysoká synaptický přenos je účinnější Vyšší EPSP

Facilitace A Homosynaptická Heterosynaptická B C Snímací elektroda Facilitace 1 Test A Homosynaptická Heterosynaptická Aplysia (mořský zajíc) – facilitace jinou synapsí než efektorovou 2 Facilitující stimul Ganglion B 1 Test Stimul 2 C Test Test Axon Stimul 2

Heterosynaptická facilitace Uzavření určitých K+ kanálů – rozšíření (trvání) AP Serotonin Heterosynaptická facilitace

LTP 1- postsynaptický efekt Homosynaptická x Heterosynaptická = asociativní (paměť) – Hippocampus: Glutamátové receptory Ionotropní K receptory – kainát – propustné pro K+, NA+ AMPA neboli Q receptory – a-amino-3-hydoxy-5-methyl-4-isoxazole-propionová kyselina (AMPA) a quisqualate - propustné pro K+, NA+ NMDA - N-methyl-D-aspartate - propustné pro K+, NA+ a Ca++ , jejich ústí normálně blokováno Mg++, velká depolarizace je uvolňuje

LTP 2 – postsynaptický efekt NMDA receptory regulují vstup Ca++ Ca++ aktivuje: Ca++ /calmodulin-dependentní protein kinázu II Proteinkinázu C Ca++ dependentní proteázu Kinázy ovlivňují aktivitu AMPA a K glutamátových receptorů a zvyšují citlivost ke glutamátu

LPT 3 – presynaptické mechanismy Ca++ indukuje syntézu NO (NO syntetáza) prostřednictvím Ca++ dependentní protein kinázy II NO působí jako retrográdní přenašeč Difunduje z postsynaptické buňky do presynaptické a uvolňuje další mediátor

Mechanismus LPT A B GLU Ca++ Mg GLU Mg Ca++ Zvýšení Ca++ Ca++ NMDA kanál Ca++ K+ Na+ AMPA kanál A B uvolňování mediát. NO Ca++ Na+ GLU Mg NO K+ Zvýšení Ca++ Ca++ NO syntetáza