Chemické smysly Chuť Čich Vnitřní chemorecepce Obecný chemický smysl

Chuť Vnímá chemické látky rozpuštěné ve vodě Receptory shloučeny v chuťových pohárcích v papilách Na jazyku Volně na patře Člk – 3 typy papil Houbovitá papila (1-5 pohárků) Listovitá papila (tisíce pohárků) Hrazená papila (velké, okrouhlé, tisíce pohárků)

Chuťový pohárek obratlovců Pór Pokožka Mikrovilli Místo trandukce- Podpůrné a bazální buňky nové receptory a trofická funkce Receptory Nerv Aferentní vlákna

Základní modality chuti Specifická chuť vzniká kombinací základních modalit Hořko Slano Kyselo Sladko Topografie sladko/slano – špička jazyka, kyselo – laterální části, hořko – kořen jazyka

Charakteristika Hořko spojeno s nebezpečnými stimuly Kyselo – kyseliny Chemicky heterogenní látky Sladko – nejsladší pro lidi jsou proteiny thaumatin a monellin Strukturálně odlišné 100 000 krát sladší než glukosa Kyselo – kyseliny Slano

Chemická transdukce a buněčná biochemie Odpovědi chemoreceptorů extrémně variabilní Od přímého působení na iontové kanály Přes zapojení vnitrobuněčných přenašečů Bohatá škála neuronálních odpovědí Využitelné i na jiných úrovních komunikace neuronů

Transdukce chuťových stimulů Molekuly slané a kyselé chuti Přímo otvírají iontové kanály receptorů Molekuly sladké a hořké chuti Působí prostřednictvím vnitrobuněčného přenašeče Existují výjimky pro některé hořké chuti Transdukce aminokyselin – přímo i přes přenašeče

Slaná a kyselá transdukce Kyseliny pronikají membránou chuťových receptorů přímo bez intervence receptorů Slano vzniká průchodem iontů přes napěťově nezávislé kationtové kanály Nevyžaduje přítomnost specifických receptorů

A B Transdukce na slaných a kyselých receptorech H+ Uzavření kanálu V klidu A K+ Hromadění K+ v ICT Depolarizace B Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ V klidu Na+ Na+ Depolarizace

Sladká transdukce Navrženy dva mechanismy sladké transdukce Otevření napěťově nezávislých Na+ kanálů Zavření napěťově nezávislých K+ kanálů Není jasné, zda oba mechanismy mohou existovat na jednom receptoru

Hořká transdukce Působeni Mechanismus Látka Přímý vliv na kanály Receptory řízená iontová pumpa Receptory aktivovaný G protein (gustducin) Uzavření K+ kanálů Aktivace Cl- pumpy Aktivace PIP a IP3,zvýšení Ca+ a uzavření K+ kanálů Inhibice PDE a snížení cAMP hladiny Barium Quinin Strychnin Denatonium

uzavření kanálu – depolariz. IP3 Vnitřní membrána Ca++ zásoby Hořký ligand Fosfolipáza C (PDC) Receptor G protein (gustducin) PIP2 DAG B – uzavření kanálu – depolariz. IP3 K+ Vnitřní membrána Ca++ zásoby Proteinkináza C B Ca++ uvolnění DAG=diacylglycerol PIP=fosfatidylinositoldifosfát A - uvolnění mediátoru bez depolarizace

Chuťové dráhy Chuťové info se nekříží První synapse na chuťových receptorech Jedno aferentní vlákno inervuje více receptorů Vzniká komplexní receptivní pole Pole se překrývají Aferentní vlákna vstupují hlavovými VII, IX a X nervy Druhá synapse je v chuťovém jádře (solitary nuclear complex a parabrachiální jádro mostu) Pak v thalamu Kůra Modality segregovány v průběhu všemi analyzačními centry

Chuťový systém člověka Somatosensorická kůra Chuťová oblast I Thalamus Insula Chuťová oblast II Chuťové jádro Prodloužená mícha Chuťový systém člověka

Parabrachiální jádro Tektum Kůra Mozeček Mozeček Komora Most Sacharin NaCl HCl Quinin

Chuťové kódování 4 separátní kanály pro hlavní chutě existují i v mozkovém kmeni Separace však není absolutní Většina receptorů odpovídá na více než jednu látku Ve směsích jedna látka může modulovat působení látky jiné

Chemosensila bezobratlých Otvůrek na vrchu Sensila Dendrity receptorů Kutikula Dendrity Receptorová lymfa Sůl Cukr Voda Specifické molekuly Podpůrná buňka Smyslový neuron Axony

Čich Fylogeneticky nejstarší Emoce a paměť Receptory odpovídají na diskrétní těkavé látky Nosní sliznice v nosní dutině Receptory Bb podpůrné a bazální

Receptory Bipolární neurony Dendrity tvoří cilie, ty zanořeny v mukoze nosní dutiny Axony končí v čichovém laloku Zpočátku nemyelinizované, později tvoří svazky obalené myelinem, pronikají cribriformní destičkou Receptory savců kontinuálně obnovovány Problematika prorůstání axonů

Čichové receptory obratlovců Nerv Receptory Podůrné buňky Cilie Sliznice

Vůně Komplexní směsi těkavých látek Kvalita dána přítomností různých látek a jejich poměry Lipofilní látky málo rozpustné ve vodě Velká variabilita struktur a funkčních skupin Společný jmenovatel – nízká molekulová hmnotnost

Transdukce Vůně nejprve absorbovány mukozou Přítomnost odorant binding proteinu Různé teorie o jeho funkci Interakce vůně s receptorem – depolarizace G protein aktivace adenylylcyklázy nebo IP3 Na+ Kanály přímo kontrolovány cAMP Ca+ + - IP3

Diversifikace vnitřních přenašečů Vůně mohou aktivovat různé přenašeče Vede se diskuze, zda jeden receptor může využívat alternativních drah k ovládání iontových kanálů Receptory nedávno identifikovány 7 transmembránových smyček Spřažené s G proteinem Extrémně citlivé Jeden receptor exprimuje jeden gen

A B Čichová transdukce obratlovců Vůně Receptor cAMP G protein ATP Adenylylcykláza Na+ Receptor Na+ cAMP G protein ATP Vůně B Fosfolipáza C Receptor Ca++ PIP2 Ca++ IP3 G protein

Ligand Receptor Adenylyl cykláza G protein ATP cAMP Fosforylace PKA Desensitizace čichových receptorů

Rozpoznávání kvality chemického stimulu Čich a chuť kódují odlišně Chuť Identifikuje relativně málo látek Používá labeled lines Čich Identifikace extrémního množství látek Používá across fiber pattern Oba systémy principy kombinují

Kódování vůní Živočichové rozlišují tisíce vůní Across fiber pattern Neurony odpovídají na více než jednu látku Jedna látka je vnímána více než jedním neuronem U obratlovců se zdá, že čichové neurony tvoří 4 skupiny a 4 odlišné kanály čichové informace jsou odděleny i v čichovém laloku Identifikace čichových receptorů a genů

Čichové receptory 1000 genů u člověka a krysy Bílkoviny se 7 transmembránovými smyčkami Schopné reagovat s G proteiny Jeden receptor exprimuje jeden gen Vůně aktivuje populaci neuronů schopných interakce Informace je dále vedena jako populační kód Interpretace ve vyšších mozkových centrech

Čichový lalok člověka Čichový lalok Mitrální buňky Granulární buňky Chomáčkovité buňky Glomeruly Periglomerulární buňky Receptory

Princip čichového kódování – chemotopické uspořádání Mitrální buňky – projekční neurony Kolik glomerulů tolik receptorových typů Glomeruly Receptorové typy

Čichový lalok a glomeruly Čichové laloky obratlovců, členovců, měkkýšů, červů mají podobnou organizaci –glomeruly (savci - 2000 glomerulů) Hustě propletená dendritická a axonová zakončení Buněčné typy : Receptory Mitrální buňky – výstup Chomáčové buňky - výstup Periglomerulární buňky Interglomerulární komunikace - inhibiční Granulární buňky Nevstupují do glomerulů - inhibiční

Optické zobrazení glomerulární aktivity v čichovém laloku pomocí Ca sensitivního fluorescenčního barviva Amylacetát Limonene Etyl-n-butyrát

Čichový lalok Konvergence – 5-10 tisíc receptorů Podnět aktivuje specifickou kombinaci glomerulů Z glomerulu vychází cca 35 mitrálních a 80 chomáčových buněk Oscilace projekčních neuronů Svazování signálů, přestavba synaptických dendrodendritických recipročních spojů – čichová paměť? Korové kombinační detektory

Dráhy čichového systému člověka Čichový nerv Čichový lalok Primární čichová kůra (piriformní a entorhinální kůra) Bez přepojení v THALAMU!! Důkaz evolučního stáří smyslu Další projekce do Limbického systému (vůně – emoce) Mediodorsálního jádra thalamu Z thalamu projekce do orbitofrontální kůry (vědomé rozpoznávání vůní)

Čichové mapy 2 čichové mapy – čichový lalok Vyšší centra?? Jak kůra porovnává signály z 1800 glomerulů?

Kalózní těleso Thalamus Čichový lalok Orbitofrontální kůra Mozeček Pyriformní kůra Entorhinální kůra

Pyriformní kůra Entorhinální kůra Orbitofrontální komplex Frontální lalok Z thalamu Do thalamu Čichový lalok Čichový nerv

Čichový neuron obratlovců Vzduch Dendrit A Póry C Tekutina Vzduch Vzduch Pór Nosní dutina Tělo Tekutina Tekutina Axon Čichový neuron hmyzu Tělo Tělo B Axon Axon Čichový neuron obratlovců Čichový neuron červů

Tykadlo švába Pór Dendrity Sensila Kutikula tykadla

Čelní pohled na mozek švába Zrakový lalok Houbovitá tělesa Nerv Tykadlový nerv MGC čichový lalok Glomeruli Jícen

Psychofyzika čichu Extrémní citlivost Adaptace Absence modalit slovníku popisující vůně Klasifikace vůní podle chemických struktur Některé vůně se při správném smíchání vyruší Některé vůně voní jinak při různých koncentracích (indol – psí exkrementy v nízkých koncentracích voní květinově) Schopnost rozpoznávání optických izomerů Neschopnost rozlišení čisté látky a směsi Směsi látek nepříjemných mohou dát příjemnou vůni

Bolest, tlak, teplo, chlad, vibrace, šimrání Somatický smysl Povrch těla Bolest, tlak, teplo, chlad, vibrace, šimrání

Somatický smysl - charakteristika Není soustředěn do specializovaného orgánu Uvnitř a po celém povrchu těla 2 anatomické dráhy 1 mozková oblast Mediuje více modalit Kvalita stimulu (měkký, tvrdý, ostrý, horký, studený…) Lokalizace

Mechanoreceptory savčí kůže Volná zakončení Merkelův komplex SLOW /* SLOW Receptory chlupových váčků Paciniho tělíska FAST FAST Maissnerova tělíska Ruffiniho tělíska FAST SLOW /* ADAPTACE

Smyslové neurony savčí kůže Merkelův komplex Smyslové neurony savčí kůže Receptor chlupového váčku Volná zakončení Neochlupená kůže Ruffiniho tělísko Paciniho tělíska Potní žláza Meissnerovo tělísko Merkelův komplex Paciniho tělísko Volná zakončení Ochlupená kůže

Mechanoreceptory svalu a šlach Svalové vřeténko Ruffiniho tělísko Svalové vlákno Golgiho šlachové tělísko Paciniho tělísko Šlacha

Somatosensorické receptory obratlovců Různé aferentní dráhy Rozdílná rychlost vedení vzruchu Myelinizované aferenty Ab - 30-73 m/s (6-12 mm) - dotek, chlad, ostrá bolest Ad – 5-30 m/s (1-5 mm) – teplo, neohraničená bolest, šimrání Nemyelinizované aferenty C – 0,5-2 m/s (0,2-2 mm) Aferentní signály z vnitřních orgánů často podvědomá signalizace Přispívají k vnímání těla v prostoru – kinestéze Vegetativní NS Receptory natažení svalů a šlach

Transdukce Specifické iontové kanály – ukotvené k cytoskeletu buňky K externímu skeletu – uhlovodíkové řetězce Natažením aktivované Otevírají se na začátku stimulu Natažením inhibované Zavírají se na začátku stimulu Externí struktury „tvarují“ odpověď mechanoreceptoru Transdukce na volných nervových zakončeních neznám

Vnější lamely Myelinizovaný axon Vnitřní lamely Nemyelinizované nervové zakončení Paciniho tělísko Generátorový potenciál bez obalu Stimulus

Diskriminace dotyku Jak rychle a kterým směrem se stimulus pohybuje Fast adapting receptory (FA) pálí více při vyšší rychlosti než slow adapting (SA) Směrově specifické mechanoreceptory Míra rozlišení – 1,5 mm vzdálené stimuly

Rozlišování detailů kožními mechanoreceptory prstu opice Kůra SA receptory FA receptory Odpovědi receptorů na stimulaci

Somatosensorické dráhy Thalamus Primární somatosensorická kůra Kalózní těleso Střední mozek Střední lemniskus Jádra zadních míšních provazců Prodloužená mícha Somatosensorické dráhy Zadní míšní kořen Mícha

Thalamus Primární somatosensorická kůra Kalózní těleso Střední mozek Prodloužená mícha Zadní míšní ganglia Spinothalamický trakt Mícha

Korová reprezentace somatosensorické informace Druhotná somatosensorická kůra v postranním záhybu Primární somatosensorická kůra SI SII Spánkový lalok Mozeček Most Prodloužená mícha

Organizace SS kůry SI SII Topografické uspořádání Vstupy odděleny ve sloupcích SII Hrubé topografické uspořádání Vstupy z thalamu a z SI Abstrakce povrchových vlastností ze složitých podnětů Ne zcela známo

Bolest Komplexní vjem s výraznou emocionální složkou Receptory – nociceptory – info o poškození tkání Volná nervová zakončení bez periferních struktur, mono i polymodální, různé transdukční mechanismy, lze selektivně blokovat Transdukční mechanismus není znám

Centrální zpracování – dráhy bolesti Bolestivé podněty se přepojují V mozkovém kmeni Thalamu Somatosensorické kůře Neví se, jak je bolest v kůřč zpracovávána Na všech centrálních synapsích dochází k modulaci Somatosensorickými vstupy – vrátková teorie bolesti Descendentní kontrolou z mozku Modulace vede ke změnám citlivosti na bolest Fyziologické Patofyziologické změny hyperalgesie

Kontrola vnímání bolesti Somatosensorická Aktivace somatosensorických aferentních vláken s receptivními poli sousedícími s nociceptorem inhibuje nocicepční neurony v thalamu a v kůře – synaptické interakce Centrální sestupné dráhy Opiátová – uvolňuje endogenní opioidní peptidy Distribuce opiátových receptorů v mozku ukazuje naúčast nejen v modulaci bolesti Serotoninová Norepinefrinová

Sestupný trakt modulace bolesti Spinothalamický trakt Info z nociceptoru Pre-synaptická modulace Modulační neuron Nociceptor Post-synaptická modulace Tělo neuronu nocicepční dráhy

Somatický smysl bezobratlých Somatosensorické info zpracovávány v gangliích dané úrovně U hmyzu prokázáno topografické uspořádání

Vnímání rovnováhy U všech živočichů Vestibulární aparát - obratlovci Statocysty se statolity Vestibulární aparát - obratlovci Otolitový orgán (párový) utrikulus a sakulus makula – oblast s mechanoreceptory 3 polokruhovité chodby – ortogonálně orientované

Vestibulární aparát člověka Polokruhovité chodby Utrikulus (váček) Sakulus Scala tympani Scala media Hlemýžď Scala vestibuli

Orgán rovnováhy – utrikulus a sakulus Mechanoreceptory Vláskovité buňky Anaxonální nespikující neurony Uvolňují mediátor nepřetržitě na aferentní neurony vestibulárních jáder Orgán rovnováhy – utrikulus a sakulus Poloha – horizontálně orientovaná makula utrikulu Pohyb – vertikálně orientovaná makula sakulu

Vliv úklonu hlavy na stereocilie utrikulu Vestibulární nerv Polokruhovité chodby Stereocilie Utrikulus Otolity Makula v klidu Úklon hlavy stranou

Polokruhovité chodby Rotace hlavy Vyplněny tekutinou Detekce vzájemného pohybu tekutiny a sten kanálů Kontrola polohy očí při pohybu hlavy Každá chodba má ztluštěninu – ampula Vláskovité bb zanořeny do gelatinozní kupuly

Endolymfa Kupula Zrychlení Odpověď neuronů

Odpověď vestibulárního receptoru opice na rotaci celého těla v rovině kanálu Neměnná rychlost 0 pohyb 0 pohyb Zrychlení Frekvence AP Receptorový potenciál Čas (s)

Transdukce ve vestibulárních buňkách Receptory podobné buňkám kochlei Anaxonální Nespikující Stereocilie různé velikosti Ohyb ve směru k nejvyšším - depolarizuje Ve směru k nejnižším – hyperpolarizuje Morfologicky polarizované Mechanické otvírání nebo zavírání nespecifických kationtových kanálů stereocilií

Vestibulární buňky ampulí Řady pravidelně uspořádány endolymfa ohýbá všechny stejným směrem Buňky utrikulu a sakulu Uspořádání do 2 zón Různá orientace stereocilií Citlivost k akceleraci ve všech směrech

Polokruhovité chodby Utrikulus Vestibulární nerv Makula Otolit L A Šipky označují směr ohybu stereocilií, který depolarizuje P M

Vestibulární dráhy 4 vestibulární jádra v prodloužené míše (superior, lateral, medial, inferior) 2 sestupné trakty Mediální vestibulospinální trakt Laterální vestibulospinální trakt Vzestupné dráhy Mozeček Most nc. abducens – Střední mozek Nc. trochlear Okulomotorické jádro Kůra

Okulomotorické jádro Thalamus Superior colliculus Trochleární jádro Inferior colliculus Vestibulární jádra Do mozečku Superior Lateral Nc. abducens Medial Inferior Postranní vestibulospinální trakt Střední vestibulospinální trakt Vestibulární dráhy

Elektrický smysl

Elektrický smysl Vnímání elektrického pole Pasivní (nekontrolují svoje) Aktivní (elektrogenní) Obrana před predátory Elektrolokace (navigace nebo orientace) Evolučně odvozen z postranní čáry Ampulární orgány Pod kůží - ampula spojená s povrchem Tuberální orgány Pod kůží – nejsou spojeny s povrchem Reagují na fluktuace napětí

Nevodivý objekt Princip elektrolokace Vodivý objekt

Ampulární orgán Kůže Elektroreceptory Smyslový nerv Tuberální orgán kůže Elektroreceptory Smyslový nerv

Extrémní citlivost receptorů Aferenty: Prodloužená mícha Tektum Mozeček Kůra Topografické uspořádání podle umístění receptoru na těle Extrémní citlivost receptorů Elektrický gradient 0,005 mV/cm proud generovaný 1,5 V baterií v oceánu s póly 3000 km od sebe!!! Navigace v magnetickém poli země Pohyb napříč pole vyvolává větší elektrický gradient než pohyb podél Vyhledávání kořisti Svaly kořisti produkují el. potenciál

Elektrické pole vyvolává Depolarizaci způsobenou vtokem Ca2++ Receptor se repolarizuje následným výtok K+ Ampulární orgány Receptory anaxonální, nespikují Tonická odpověď Kontinuální uvolňování mediátoru Tuberální orgány Receptory anaxonální, SPIKUJÍ, jiné? obratlovčí chuťové Fázická odpověď (nekódují absolutní intenzitu) Některé přenášejí svou excitaci na neurony vyššího řádu elektricky

Magnetický smysl Vnímání přítomnosti a orientace magnetického pole zěmě Bakterie magnetity – směsný oxid železa Magnetity i u jiných druhů, mechanismus neznám Demagnetizace bez vlivu na chování (včely) Holub – magnety po stranách hlavy dezorientují Zrakový systém – speciální fotoreceptory, které využívají Elektron Spin Resonance

Uspořádání magnetitů v bakterii Magnetity

Elektron Spin Resonance Odpověď fotoreceptorů modulována orientací v magnetickém poli Důsledkem je rozdílné vidění barev Behaviorální evidence Fyziologické evidence chybí Pravý magnetický smysl Žraloci – detekce změn elektrického pole při pohybu magnetickým polem Jiné smysly Vlhkost (hmyz) Infračervené vlnění (hadi - zrak)