General Neurophysiology Axonal transport Degeneration and regeneration in the nervous system Transduction of signals on the cell level Reflex arch Central pattern generator

Axonal transport (axoplasmatic 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),

Axonal transport in the pathogenesis of diseases Rabies virus Replicates in muscle cell Axon terminal (endocytosis) Neuron produce copies of the virus CNS Neurons innervating the salivary glands   Tetanus toxin (produced by Clostridium tetani) Transported retrogradely in nerve cells Released from the nerve cell body Taken up by the terminals of neiboring neurons

Axonal transport as a research tool     Tracer studies 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.

Degeneration and regeneration in the nervous system Neurons do not proliferate   Exceptions - olfactory epithelium - dentatum gyrus (stem cells) Generaly Lost neurons are not replaced

Myelin sheat of axons in PNS

Myelin sheat of axons in PNS Bazal lamina

Myelin sheath formation in CNS

Injury of the axon in 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

Injury of the axon in PNS Amputace končetiny Proximální pahýl vrůstá do pojivové tkáně (není navazující Schwannova buňka) Slepý konec tvoří neurom – fantómová bolest

Injury of the axon in CNS Oligodendrocyty netvoří Büngnerův proužek Regenerace není možná Trauma CNS Proliferace astrocytů – gliální jizva

Transduction of signals on the cell level Axonální část –akční potenciál, šíření bez dekrementu, zákon vše nebo nic (Membrána vzrušivá, vodivá) Somatodendritická část – pasivní propagace signálu, s dekrementem (Membrána dráždivá, nevodivá)

Axon – šíření signálu bez dekrementu

Dendrit a soma – šíření signálu s dekrementem

Přenos signálu: dendrit – iniciální segment

Origin of the AP electrical stimulus neurotransmitter on synapses

Axonal part of the neuron AP – Ca2+ channels –neurotransmiter releasing

Somatodendritic part of neuron Receptors on the postsynaptic membrane 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

Ineraction of synapses

Summation spatial and temporal

Transduction of signals on the cell level EPSP IPSP Initial segment AP Ca2+ influx Neurotransmitter Neurotransmitter releasing

Neuron’s activity in trasduction of signals Discharge configurations (Pálící vzorce různých buněk) EPSP IPSP

Influence of one cell on the signal transmission 1.AP, activation of the voltage-depended Na+ channels (soma, area of the initial segment) 2. ADP, after-depolarization, acctivation of a high threshold Ca2+ channels, localized in the dendrites 3.AHP, after-hyperpolarization, Ca2+ sensitive K+ channels 4.Rebound depolarization, low threshold Ca2+ channels, de-inactivated during the AHP, activated when the depolarization decreases (probably localized at the level of the soma Threshold RMP

Reflex arch Knee-jerk reflex

Ivan Petrovich Pavlov Nobelova cena 1904 Výzkum reflexů Sir Charles Scott Sherrington – Nobel Lecture Nobel Lecture, December 12, 1932 Velká Británie  Ivan Petrovich Pavlov Nobelova cena 1904                   

Behavior as a chain of reflexes? LOCUST Two pairs of wings   Each pair beat in synchrony but the rear wings lead the front wings in the beat cycle by about 10% Proper delay between contractions of the front and rear wing muscles

Donald Wilson’s Experiment in 1961

To confirm the hypothesis Identify the reflexes that are responsible for the flight pattern   Deafferentaion = the elimination of sensory input into the CNS Remove sense organs at the bases of the wings Cut of the wings Removed other parts of locust s body that contained sense organs Unexpected result Motor signals to the flight muscles still came at the proper time to keep the wing beat correctly synchronized

Extreme experiment Reduced the animal to a head and the floor of the thorax and the thoracic nerve cord   Elecrodes on the stumps of the nerves that had innervated the removed flight muscles Motor pattern recorded in the absence of any movement of part of animal – fictive pattern Locust flight systém did not require sensory feedback to provide timing cues for rhythm generation Network of neurons Oscillator, pacemaker, central pattern generator

Central pattern generator Model of the CPG for control of muscles during swimming in lamprey

Central pattern generators A network of neurons capable of producing a properly timed pattern of motor impulses in the absence of any sensory feedback. Swimming Wing beating Walking Gallop, trot Licking Scratching Breathing

Summary

Axonal transport (axoplasmatic transport) Anterográdní Proteosyntéza v buněčném těle (ER, Golgiho komplex) Retrográdní Přenos chemických signálů z periferie

Degeneration and regeneration in the nervous system Damaged (differenciated) neurons are not replaced Trauma of the CNS – glial scarf Axons in CNS Axons in PNS

Transduction of signals on the cell level EPSP IPSP Initial segment AP Ca2+ influx Neurotransmitter Neurotransmitter releasing

Reflex arch Central pattern generators Pacemakers