Obecná neurofyziologie Axonální transport Transdukce nervového signálu na buněčné úrovni Regenerace nervové tkáně Neurofyziologické principy chování Olga Vajnerová, Ústav fyziologie 2. LF UK v Praze

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

Anterográdní transport Anterográdní transport rychlý (100 - 400 mm/d) MAP kinesin/mikrotubuly neurotransmitery ve vezikulách a mitochondrie   pomalý (0,5 – 10 mm/d) mechanismus neznámý komponenty cytoskeletu (aktin, myosin, tubulin), metabolické komponenty   Retrográdní transport rychlý (50 - 250 mm/d) MAP dynein/ mikrotubuly staré mitochondrie, vezikuly (pinocytóza, receptorem zprostředkovaná endocytóza, transport např. růst. faktorů),

Axonální transport v patogenezi nemocí Vzteklina  replikace viru - ve svalových buňkám - v nervových buňkách (retrográdní transport) - CNS behavior projevy a anterográdní transport - v buňkách slinných žláz Tetanus (Clostridium tetani) toxin je transportován retrográdně vyloučen z těla nervové buňky vychytáván zakončeními okolních buněk

Axonální transport ve výzkumu NS     Zkoumání nervových zapojení Anterográdní transport Radioaktivně značené AK (inkorporace do proteinů, transport, detekce autoradiograficky) Injekce do oblasti těla neuronu, identifikuje se distribuce axonů Retrográdní transport Křenová peroxidáza proniká do axonálních zakončení, transportuje se do těla neuronu, je možno ji vizualizovat. Injekce do oblasti axonálního zakončení neuronu, identifikuje se tělo neuronu.

Transdukce nervového signálu na buněčné úrovni Somatodendritická část – pasivní propagace signálu, s dekrementem Axonální část –akční potenciál, šíření bez dekrementu, zákon vše nebo nic

Axon – šíření signálu bez dekrementu Práh Zákon vše nebo nic

Dendrit a soma – šíření signálu s dekrementem

Přenos signálu: dendrit – iniciální segment

Vznik akčního potenciálu elektrický stimulus senzorický vstup neurotransmiter na synapsi

Sensory input Sensory transduction – conversion of stimulus from the external or internal environment into an electrical signal Phototransduction Chemotransduction Mechanotransduction Signals: sound wave (auditory), taste, light photon (vision), touch, pain, olfaction, muscle spindle,

Sensory input Sensory transduction – conversion of stimulus from the external or internal environment into an electrical signal Phototransduction Chemotransduction Mechanotransduction sound wave (auditory), Signals: taste, light photon (vision), touch, pain, olfaction, muscle spindle,

Sensory input Sensory transduction – conversion of stimulus from the external or internal environment into an electrical signal Phototransduction Chemotransduction taste, Mechanotransduction sound wave (auditory), Signals: light photon (vision), touch, pain, olfaction, muscle spindle,

Sensory input Sensory transduction – conversion of stimulus from the external or internal environment into an electrical signal Phototransduction light photon (vision), Chemotransduction taste, Mechanotransduction sound wave (auditory), Signals: touch, pain, olfaction, muscle spindle,

Sensory input Sensory transduction – conversion of stimulus from the external or internal environment into an electrical signal Phototransduction light photon (vision), Chemotransduction taste, Mechanotransduction sound wave (auditory), touch, Signals: pain, olfaction, muscle spindle,

Sensory input Sensory transduction – conversion of stimulus from the external or internal environment into an electrical signal Phototransduction light photon (vision), Chemotransduction taste, pain Mechanotransduction sound wave (auditory), touch, Signals:, olfaction, muscle spindle,

Sensory input Sensory transduction – conversion of stimulus from the external or internal environment into an electrical signal Phototransduction light photon (vision), Chemotransduction taste, pain olfaction Mechanotransduction sound wave (auditory), touch, Signals: muscle spindle,

Sensory input Sensory transduction – conversion of stimulus from the external or internal environment into an electrical signal Phototransduction light photon (vision), Chemotransduction taste, pain olfaction Mechanotransduction sound wave (auditory), touch, muscle spindle Osmoreceptors, thermoreceptors

Vznik akčního potenciálu elektrický stimulus senzorický vstup neurotransmiter na synapsi

Axonální část AP – Ca2+ kanály – vylití neurotransmiteru

Somatodendritická část Receptory na postsynaptické membráně Excitační – otevření kanálu pro Na+, Ca2+ depolarizace membrány Inhibiční - otevření kanálu pro K+, Cl- hyperpolarizace membrány EPSP – excitační postsynaptický potenciál IPSP – inhibiční postsynaptický potenciál

Excitační a inhibiční postsynaptický potenciál

Inerakce synapsí

Sumace prostorová a časová Prostorová sumace Časová sumace Presynaptický AP Postsynaptický EPSP Čas Čas

Potenciálové změny v oblasti iniciálního segmentu Interakce všech synapsí   Prostorová sumace – proudy z mnoha vstupů se sčítají Časová sumace – jestliže AP přichází v kratším intervalu, než je trvání EPSP Iniciální segment

Transdukce nervového signálu na buněčné úrovni EPSP IPSP Initial segment AP Ca2+ influx Neurotransmitter Neurotransmitter releasing

Modulace signálu aktivitou jednotlivé buňky Discharge configurations (Pálící vzorce různých buněk) EPSP IPSP

Modulace signálu aktivitou jednotlivé buňky 1. AP, napětím ovládané Na+ kanály na těle buňky v oblasti iniciálního segmentu 2. ADP, after depolarization (následná depolarizace), vysokoprahové Ca2+ kanály na dendritech, aktivované AP 3. AHP, after-hyperpolarization, Ca2+ ovládané K+ kanály 4. Rebound depolarizace nízkokoprahové Ca2+ kanály, deinaktivované během AHP, aktivované, když se hyperpolarizce zmenší, pravděpodobná lokalizace na těle neuronu Modulace signálu aktivitou jednotlivé buňky Threshold RMP Hammond, C.:Cellular and Molecular Neurobiology. Academic Press, San Diego 2001: str. 407.

Myelinizace axonu v periferním NS Degenerace a regenerace axonu Myelinizace axonu v periferním NS Schwannova buňka

Myelinizace axonu v periferním NS Basal lamina

Poškození axonu v PNS Komprese, rozdrcení, přetětí – degenerace distální části (walleriánská degenerace, odstranění makrofágy) Zůstávají Schwannovy buňky a bazální lamina (Büngnerův proužek) Proximální pahýl dorůstá (axonal sprouting)   Prognosis quo ad functionem Komprese, rozdrcení – dobrá, nalezení správného cíle na periferii Přetětí – horší, regenerace méně pravděpodobná

Myelinizace axonu v centrálním NS

Poškození axonu v CNS Oligodendrocyty netvoří Büngnerův proužek Regenerace není možná

Poškození axonu v PNS při amputaci Proximální pahýl vrůstá do pojivové tkáně (není navazující Schwannova buňka) Slepý konec tvoří neurom – fantómová bolest

Neurofysiologické principy chování Výzkum reflexů Ivan Petrovich Pavlov Rusko Nobelova cena 1904 Sir Charles Scott Sherrington Velká Británie Nobelova cena 1932                   

Reflexní oblouk Patelární reflex (Knee-jerk reflex)

Chování jako zřetězení reflexů? KOBYLKA Dva páry křídel. Každý  pár mává synchronně, ale zadní křídla vedou přední křídla v cyklu posunutém asi o 10o Stále je dodržován správný odstup mezi kontrakcemi předních a zadních křídel.

Donald Wilson - experiment z roku 1961

Složité souhyby svalů jsou zřetězením reflexů Složité souhyby svalů jsou zřetězením reflexů? pokus k potvrzení hypotézy Identifikovat reflexy, které jsou odpovědné za přesnou synchronizaci křídel při letu (flight pattern)   Deafferentace = eliminace senzorického vstupu do CNS Odstranění senzorických orgánů na bazi křídel Odříznutí křídel Odstranění všech částí těla kobylky, která obsahují smyslové orgány Neočekávaný výsledek Motorické signály k létacím svalům stále přicházely se správným časováním tak, aby údery křídel zůstaly synchronizované.

Složité souhyby svalů nejsou vždy jen zřetězením reflexů!!! Extrémní experiment Redukce zvířete na hlavu, dno hrudníku a hrudní nervový pruh   Elektrody přiloženy na pahýly nervů, které inervovaly odstraněné létací svaly Nervové impulsy v synchronizovaném pořadí (motor pattern) byly registrovány i v případě absence jakéhokoli pohybu kterékoli části zvířete – fiktivní vzorec (fictive pattern). Létací svalový systém kobylky nevyžaduje žádnou senzorickou zpětnou vazbu k tomu, aby byly zajištěny podněty pro generování rytmu. Složité souhyby svalů nejsou vždy jen zřetězením reflexů!!! Neuronální sítě oscilátor, pacemaker, centrální generátor rytmu, generátor vzorce pohybu

Centrální generátor rytmu (Central pattern generator CPG) Model CPG pro ovládání svalů během plavání u mihule.

Centrální generátory rytmu Síť neuronů schopná produkovat správně časovaný vzorec motorických impulzů i za nepřítomnosti senzorické zpětné vazby. plavání mávání křídly chůze klus cval lízání škrábání dýchání žvýkání

Klíčový podnět (spouštěč) – konzumatorní chování Fixní vzorce aktivity vrozená endogenní vzruchová aktivita jisté neuronální sítě jednoduchý počáteční podnět vybaví komplexní děj Instinktivní chování: motivace, apetenční chování, filtrování sensorických podnětů Klíčový podnět (spouštěč) – konzumatorní chování

Neurofyziologické principy chování – shrnutí Vrozené formy chování Nepodmíněný reflex Instinktivní chování (fixní vzorec aktivity) Centrální generátor rytmu Získané formy chování Učení a paměť (podmíněný reflex)

Neurofyziologické principy chování – shrnutí Vrozené formy chování Nepodmíněný reflex Instinktivní chování (fixní vzorec aktivity) Centrální generátor rytmu Získané formy chování Učení a paměť (podmíněný reflex) Chuťový podnět – slinění, mimický výraz pro zlost, jízda na kole, dýchací pohyby, vizuální podnět - slinění

Neurofyziologické principy chování – shrnutí Vrozené formy chování Nepodmíněný reflex Chuťový podnět – slinění Instinktivní chování (fixní vzorec aktivity) mimický výraz pro zlost, pro smích Centrální generátor rytmu dýchací pohyby Získané formy chování Učení a paměť jízda na kole (podmíněný reflex) vizuální podnět - slinění

podmíněný reflex: salivace po aplikaci vizuálního podnětu Děkuji za pozornost