Introduction to neurosciences for Cognitive MSs.

Az előadások a következő témára: "Introduction to neurosciences for Cognitive MSs."— Előadás másolata:

1 Introduction to neurosciences for Cognitive MSs.
Neurobiology Introduction to neurosciences for Cognitive MSs.

2 Fonyó & Ligeti – Az orvosi élettan tankönyve 2. 3. & 6. fejezetek

3 Edwin Smith surgical papirus
Az Edwin Smith-papirusz egy ókori egyiptomi ókori, sérülések sebészeti kezeléséről szóló írás egyetlen fennmaradt példánya. Ez a világ legrégebbi sebészeti témájú írása, egyben egyike a legrégebbi orvostudományi szakkönyveknek. A papiruszon leírt sebészeti beavatkozások a korhoz képest meglepően racionálisak, bár az egyes betegségek ellen mágikus ráolvasásokat is ajánl. A papiruszon anatómiai megfigyelések is szerepelnek. Itt olvasható a koponyavarratok, az agyhártya, az agy külső felülete, a gerincvelőfolyadék és az agyi ütőerek első ismert leírása. A papirusz nagyban befolyásolta, amit addig tudtunk az orvostudomány történetéről, és bebizonyította, hogy a csatatéri sérülések kezelése anatómiai megfigyeléseken és tapasztalatokon alapult, éles ellentétben a más fennmaradt orvosi írásokban, pl. az i. e körül íródott egyiptomi Ebers-papiruszon jellemző mágikus gyógymódokkal.

4 Anatómiai- és Funkcionális Neuroanatómia

5 Az idegrendszer felépítése - bevezető
Enterális idegrendszer Nervous system = idegrendszer CNS = központi idegrendszer PNS = környéki idegrendszer Brain = agy Spinal chord = gerincvelő SNS = szomatikus idegrendszer ANS = autonóm vagy vegetatív idegrendszer Sympathetic Nervous System = szimpatikus idegrendszer Parasympathetic Nervous System = paraszimpatikus idegrendszer © 2004 John Wiley & Sons, Inc. Huffman: PSYCHOLOGY IN ACTION, 7E

6 Részei Agy: nagyagy (telencephalon,cerebrum): két félteke, agykéreg
Köztiagy (diencephalon): hypothalamus, thalamus Agytörzs: Középagy (mesencephalon):tectum, ikertestek, agykocsányok nyúltvelőből (medulla oblongata) híd (pons) Formatio reticularis Kisagy (cerebellum): két félteke, kisagykéreg, kisagymagvak, kisagykarok Gerincvelő Környéki ir: idegek és dúcok/ganglionok. autonóm szomatikus enterális A környéki idegrendszer a testet behálózó idegek és dúcok. A dúcok a központi idegrendszeren kívüli idegsejt csoportok, minden szerv közvetlen közelében és a gerincoszlop mentén mindkét oldalon. Idegek: - Agytörzsi idegpárok: 12 pár, az agyvelő alapjáról kilépő, hálózatos lefutású agyideg. Vannak érző agyidegek, csak mozgató és kevert, vagyis mindkét rostot tartalmazók. A gerincvelői idegekkel együtt néhány agyideg felelős az akaratlagos mozgások kivitelezésérért. - Gerincvelői idegek háti érző- és hasi mozgató gyökérrel szelvényesen eredő és lefutó páros, velőshüvelyes kevert idegek. A nyaki tájék kivételével vegetatív rostokat is tartalmaznak. Az autonóm (vegetatív) idegrendszer szabályozza a szervezet számos szervének és szövetének a működéseit, beleértve a szívizmot, a simaizmot, és a külső elválasztású mirigyeket. A belső elválasztású mirigyek rendszerével (endokrin rendszer) együtt végzi azokat a finom belső beállításokat, amelyek szükségesek a szervezet optimális belső környezetének biztosításához.  A szomatikus idegrendszer a perifériás idegrendszer része, ami az akaratlagos mozgások vázizmok általi kivitelezéséért (kivéve reflexívek), és a külső ingerek érzékszervi észleléséért felelős (tapintás, látás, hallás). A rendszerbe tartozik az összes vázizmokhoz, a bőrhöz és az érzékszervekhez kapcsolódó neuron. Az enteralis idegrendszer az oesophagus alsó harmadától egészen a rectum végéig, a belső anussphincterig húzódik, és magában foglalja az epeutak és a pancreas idegelemeit is. A neuronok sejttestjei részben a külső hosszanti és a körkörös simaizomrétegek között (plexus myentericus, Auerbach-féle plexus),részben a submucosában (plexus submucosus, Meissner-féle plexus) helyezkednek el. A két plexus között számos axon biztosítja az összeköttetést; bár a plexusok effektorneuronjainak beidegzési területe elkülönül, a két plexus egységes enteralis idegrendszerként működik. Az enteralis idegrendszer minden külső idegi kapcsolattól függetlenül is képes működni. A szervezés reflexekre épül: a szenzoros neuronok aktiválódása határozza meg a beidegzett simaizmok, hámsejtek (közöttük endokrin és parakrin sejtek) működését. A helyi mechanikai és kémiai változások helyi motoros, szekréciós, véráramlási és immunreakciókat indítanak meg. A neuronalis kapcsolatokban preformált reflexmintázatok, neuralis programok rögzültek: adott afferens ingerekre meghatározott motoros, szekréciós és vazomotor válasz jön létre. Az önálló működés nem zárja ki a központi irányítást: a központi idegrendszerből – a szimpatikus és a paraszimpatikus idegeken keresztül – érkező utasításokat az enteralis idegrendszer közvetíti a végrehajtó sejtekhez.

7 Anatómiai síkok és irányok

8 Agy és agykéreg

9 Agytörzs középagy Híd nyúltagy
Thalamus/talamusz: reléállomás, szenzoros bemenetek 98%-át (szaglás kivételével) fogadja majd továbbítja az agykéreg felé-> sűrű thalamo-kortikális kapcsolat körök. A talamusz felel az éberségért, ébrenlét és arousal-ért. (arousal = a szervezet általános éberségi és izgalmi állapota) Híd nyúltagy

10 Agykéreg: 4 lebeny Frontális (homlok) Temporális (halánték)
Parietális (fali) Occipitális (nyakszirti) Eredetileg csak anatómiai elkülönülés miatt osztották fel így, de később kiderült, hogy funkcionálisan is elkülönülnek valamennyire.

11 Agykéreg frontális lebeny – motoros aktivitás, tervezés & mozgás, beszélt nyelv, affektív tényezők temporalis lebeny – hallás, nyelv, (Wernicke' s area), látás asszociatív részei parietális lebeny – szomatoszenzoros terület, tér érzékelés occipitalis lebeny - látás

12 Fig. 2.23 Agykéreg- cortex szürke fehér
Szürke és fehérállományra tagolódik. Szürke-> idegsejtek sejttestjei , Fehér-> idegsejtek axonjai Fig

13 Broadmann áreák Broadmann A cortex neuronjainak architektúrája alapján felosztott területek. Fig. 3.7

14 Funkcionális specializáció
Motoros Szenzoros Szomatoszenzoros Halló Látó Asszociációs

15 Motoros kéreg – homloklebeny
Primary motor cortex = elsődleges motoros kéreg: mozgás végrehajtása Premotor cortex = premotoros kéreg: mozgás előkészítése, térbeli és érzékelési összehangolása SMA = supplementer motor area = szupplementer motoros area: mozgás tervezése, mozgások sorrendjének tervezése, test két oldalának összehangolása Primary somatosensory cortex = elsődleges szomatoszenzoros kéreg: anatómiai közelsége miatt gyakran sorolják funkcionálisan is a motoros kéreghez. Posterior parietal cortex = posterior parietális kéreg: inkább asszociációs-,mint motoros kérgi rész, de részt vesz a multiszenzoros bemenet mozgási paranccsá való átalakításában

16 Szomatoszenzoros kéreg- fali lebeny
Szomatoszenzoros kéreg: Az idegrendszernek az a része, amelyik a tapintás, nyomás (felszínes vagy mély), hő, fájdalom valamint a „testérzéssel” kapcsolatos proprioceptív információkat (izmok, inak feszülése, izületek térben elfoglalt helyzete) dolgozza fel Az ábrán jól látható,hogy az egymáshoz közeli agykéregterületek hasonló külső területekről kapják az információt, illetve adnak parancsot.

17 Hallókéreg- halántéklebeny
Halántéklebeny két fontos területe: hallási észlelés legmagasabb foka Primary auditory cortex = elsődleges hallókéreg: tonotópia jellemzi, az a cochleában szomszédos frekvenciák a hallókéregben is szomszédosan elhelyezkedő területekkel kapcsolatosak. Auditory association area = asszociációs hallókéreg: együttműködik az elsődleges hallókéreggel, hogy az észlelt hangokból pl beszéd, zene vagy más hangzás váljon.

18 Látókéreg- nyakszirti lebeny
Parietális - Hol? Temporális - Mi? V1 = primary visual cortex = striate cortex= elsődleges látókéreg (világos zöld): retinából érkező vizuális eredetű ingerek feldolgozása V2 = secondary visual cortex = másodlagos látókéreg (sötét zöld): komplex formák felismerése A látókéregből két pálya/út indul: dorzális pálya: parietális lebeny felé halad, tárgyak lokalizálásában fontos ventrális pálya: temporális lebeny irányába halad, tárgyak felismerésében fontos Fig. 2.29

19 Asszociációs kéreg Nem szenzoros, Nem motoros
Magasabb funkciók, pld beszéd.

20 Az idegszövet sejtjei Neuron Glia: Oligodendroglia Asztroglia
Mikroglia Speciális sejtek Neuron:lásd később Oligodendroglia: Az oligodendroglia a központi idegrendszer mielinhüvely képzésében vesz részt (a periférián Schwann-sejtek látják el ezt a funkciót.) Asztroglia:neuronok, oligodendrogliák, szinapszisok borítása és szigetelése extracell. mátrix komponenseket termelnek spatial buffering (térbeli pufferelés): ionok homeosztázisa metabolikus szabályozás: ők alakítják át a szinapszisban elhasznált glutaminsavat glutaminná Mikroglia:A mikroglia a központi idegrendszer szöveti makrofágja. Különböző sérülések hatására aktiválódik: nyúlványokat növeszt, fagocitózisra képes; citokineket és növekedési faktorokat termel; gyulladási folyamatokat indukál; számon felüli szinapszisok eliminálása/fagocitózisa posztantális fejlődés során Speciális sejtek:A vér-agy és vér-liquor gátban további speciális sejtek találhatók.

21 A neuron ca 1012 neuron/agy Az idegsejtek az idegszövet alapvető alkotóelemei. Alapvető felépítésére jellemző a sejttest, az axon és a dendrit megléte (előbbi lehet mielinizált). (vannak kivételek: amakrin- és horizontális sejt, ahol nincsen klasszikus axon, ill. pszeudounipoláris neuron, ahol nincs klasszikus dendrit). A sejtmagban ún. Nissl-testek helyezkednek el, a dER ciszternák között szabadon úszó riboszómák összekapcsolódásai. Az axon terminális része ált. elágazik, végbunkójában preszinapszis helyezkedik el. A dendritek szintén elágazódnak, ágaik a szómától elfelé egyre vékonyodnak, így beszélhetünk primer, secunder és tercier dendritekről. A dendrittüskék alakja többféle lehet: stubby, filamentális vagy gomba. A dendrittüske a s dendritfelszínt jelentősen megnöveli, a serkentő szinaptikus kapcsolatok döntő része pedig ezeken végződik. Az idegsejtek szinapszisokon keresztül kommunikálnak, ezeknek szimmetrikus (Gray II) és aszimmetrikus (Gray I) formáit ismerjük. Előbbi általában gátló, utóbbi serkentő szinaptikus kapcsolat. Az idegsejtek képesek makro- és mikrohálózatok kialakítására is (utóbbi lokális, interneuronokon keresztül megvalósuló rendszer). Az idegsejtek projekciós, vagy interneuronok lehetnek. Öt nagy csoportjukat különítjük el: lokális gátló, lokális serkentő interneuron, gátló, serkentő vetítőneuron és a neuromodulációs sejtek. Az idegsejtek ún, posztmitotikus, további osztódásra már nem képes sejtek. Felszín-tömeg arányuk rendkívül nagy, ennek biztosításához nagy energiaigény és szabályozott transzportfolyamatok szükségesek. Éppen utóbbi miatt is az idegsejtek membránfelszíne rendkívül specializált, mozaikos. Az idegsejt a legpolarizáltabb sejttípus, rajta axonális és szomatodendritikus területet különböztetünk meg, a kettő közötti mozgást a tight junctionok biztosítják. A citoszkeleton szintén polarizált, a mikrotubulus rendszerre ez különösen jellemző. Az idegsejtekre speciális sejtvándorlás jellemző, nyúlványképződés csak a célterület elérése után történik (ez az idegrendszeri plaszticitás alapja). Az idegsejtek neurotranszmittereket, neuromodulátorokat és növekedési faktorokat szekretálhatnak. Információtovábbításuk a szinaptikus kommunikáció révén igen gyors. Ingerlékeny sejtek A neuronokra, mint ingerlékeny sejtekre jellemző, hogy a környezet ingereire különösen gyorsan képesek reagálni, membránpotenciáljuk lényegesen gyorsabban és nagyobb mértékben változhat, mint az egyéb szöveti sejteké. A gyors membránpotenciál változás hatására végső soron a citoplazmában is elindulhatnak olyan metabolikus változások, melyek a membránsajátosságok nyugalmi szintre való visszaállítása után is hosszabb időre megváltoztathatják az idegsejt ingerelhetőségét. Végső soron a sejtek mindig a környezetnek aktuálisan megfelelő egyensúlyi állapotban vannak.

22 Neuronok, membránok, elektromos potenciálok
Legváltozatosabb formákban létezhet, eddig kb. 100 különböző morfológiai típust írtak le. A „klasszikus” idegsejt az ún. mozgató idegsejt (MN). Fontos az IS-ek alakja, hiszen ettől függ az akcióspotenciál mintázat. Axon fogadhat, dendritből is felszabadulhat hírvivő. Képesek akcióspotenciált generálni (erre némely gliasejt is képes), nyúlványaik szerint sorolhatjuk őket több osztályba (uni-, bi-, pseudounipolárisak stb.). Bipoláris idegsejtek (pl. retinában, érző ganglion sejtek) Pseudounipoláris idegsejtek (pl. gerincvelőben) Axon nélküliek idegsejtek (pl. amakrin sejtek).

23 Elektromos jelek Kívülről érkező információ elektromos jellé alakítása
Alapja: sejtmembrán elektromos tulajdonságainak változása - membránpotenciál változás Elektrotónusos potenciál Akciós potenciál

24 Idegsejtmembrán Lipid kettős réteg Integráns és perifériás
membránfehérjék Ami átmehet: gázok lipidoldékony molekulák vízmolekulák Ami nem: hidrofil semleges molekulák ionok Többi: transzporttal – lehetőségek: ioncsatornák passzív karrierek (transzporter) primer pumpák A szervezetet alkotó többi sejtféleséghez hasonlóan a neuronokat is sejtmembrán határolja el a környezettől. Felületén kifejeződnek különböző funkcióval rendelkező fehérjék, melyek a többi, közelebbi vagy távolabbi környezetben lévő sejtektől és a nem-sejtes környezetből jövő információ felfogására alakultak ki. A felfogott jel hatására különböző ingerületi folyamatok alakulnak ki, rövidebb vagy hosszabb távon befolyásolva az idegsejtek anyagcseréjét. Plazmamembrán feladata:  elhatárol a környezettől  sejten belüli ionösszetétel meghatározása, szabályozása  fizikai és funkcionális összeköttetések a szomszédos sejtekkel  sejt pillanatnyi alakjának meghatározása  felépítési elve minden sejtben azonos (1972 Singer&Nicholson folyékony mozaikmembrán PL kettős rétegből álló lipidkontinuum foszfo- és glikolipidek, hossztengelyük elnyújtott, keskeny molekula - hidrofil: foszfát, észterifikált alkohol, bázis -hidrofób: zsírsavlánc (apoláros) ehhez: integráns membránfehérjék (enzim-pumpa, receptor, carrier, ioncsatorna) főleg glikoproteinek kristályrács szerű szerk.: bimolekuláris lipid kettősréteg (6-7nm) - megfelelő hőmérsékleten a membrán belső része nagy mobilitású - hossztengelyük körül szabadon foroghatnak - az egyes zsírsavláncok elhajolhatnak - laterális diffúzió ↓ integráns fehérjék elmozdulhatnak Anyagáramlás mechanizmusa a sejtmembránon diffúzió, facilitált diffúzió, ozmózis, filtráció, aktív pumpa Diffúzó: gáz v. folyadék részecskéinek mozgása révén kiterjed nagy koncentráció (cc.) kis koncentrációegyenletes Az egyensúly eléréséhez szükséges idő a diffúziós sebesség négyzetével arányos - egyenesen arányos a cc. különbségével (kémiai v. koncentráció- gradiens) - km-i felülettel - fordítottan a határréteg vastagságával 1. Lipidrétegen keresztül : fontos fogalom: P: permeábilitási (átjárhatósági) állandó (adott molekula mozgásának sebessége, a membrán 2 oldala között egységnyi a kül.)-anyag lipidoldékonyságától, méretétől, töltésétől függ 2. Fehérjecsatornán keresztül: a. állandóan nyitott csatornák b. kapuzó csatornák  mechanoszenzitív (simaizom) – mechanikus ingerlés hatására nyílik  feszültségfüggő (Na-csat.-TTX, K-csat (TEA), Ca (verapamil)  ligandfüggő (ATP szenzitív K+ csat) minden v. semmi konduktancia Facilitált diffúzió: (karrier közvetített transzport)  cc. gradiens irányába specifikus transzporter molekula segítségével Filtráció membránon keresztül, a nyomáskülönbség hatására létrejövő folyadékáramlás Ozmózis:  oldószer-molekulák diffúziója a koncentráltabb oldat irányába, egy, az oldott anyagra átjárhatatlan membránon keresztül. Aktív transzport  elektrokémiai gradiens ellenében  energiát igényel (ATP)  transzport maximum  karrier molekula  uniport – antiport - szimport (kotranszport): önmagában, valamivel kicserélődve, valamivel együttesen (rendre megfeleltetve az elnevezéseknek)  primer aktív transzport integráns fehérje a karrier  Na-K-ATP-áz (Na pumpa) 3Na+ki/2K+beelektrogén (ATP-t bont, ebből lesz energiája a koncentráció-gradiens ellenében „pakolgatni”)  Ca2+-pumpa  másodlagos aktív transzport  polarizált sejtek (apicalis-basalis felszín, eltérő pumpák)  aktív transzporttal létrehozott ion-gradiens teremti meg a feltételt egyes részecskék transzportjához vese, bél hámsejtjei

25 Transzmembrán transzport
a) neuronok közti kommunikáció idegi rendszerek: * akciós potenciál * szinaptikus jel b) receptor – agy kommunikáció szívizom jeladás és szabályozó folyamatok Valamennyi élő sejtre igaz az a megállapítás, miszerint a sejtmembrán külső és belső felszíne között elektromos potenciálkülönbség, azaz membránpotenciál mérhető. A potenciálkülönbség nagysága sejttípusonként változik, kb mV közötti tartományban található. Konvencionálisan a sejt belső terének potenciálját tekintjük negatívnak a külsőhöz képest, ebben az esetben a membránpotenciál értéke negatív előjelet kap. A negatív előjel csak a belső tér negativitásának jelzésére szolgál, nem teszi a számot matematikai értelemben negatívvá! Tehát, ha a membránpotenciál –90 mV-ról –60 mV-ra változik, a membránpotenciál, vagyis a potenciálkülönbség csökken, azaz a sejtmembrán polarizáltsága csökken, depolarizációról van szó. A –100 mV-os érték nagyobb polarizáltságot, hiperpolarizációt jelent. A lipid kettősréteg elektromos szempontból az intra- és az extracelluláris teret elválasztó szigetelőként viselkedik. A lipidfázis ugyanakkor töltéseket is szeparál, vagyis kondenzátornak, kapacitív elemnek tekinthető. Monovalens Ion csatornák (monovalens = csak egy anyagra érzékeny) Az elektromosan aktív sejtek, mint a neuronok vagy az izomsejtek, kb -70mV-os nyugalmi potenciált tartanak fenn. A neurotranszmitterek depolarizálják vagy hiperpolarizálják a sejtmembránt az ioncsatornák nyitásával. Ezek az ioncsatornák lehetnek integrált receptormolekulák (ligand-függő csatornák) vagy G-protein mediált receptorok (ion csatornakapcsolt receptrorok). A ligandfelismerő részhez történő kapcsolódás konformációváltozást indít be a csatornaképző fehérjékben, amelyeken át így megnövekedik az ionáramlás a membránon keresztül. Ezzel szemben a feszültségfüggő-ioncsatornák csak a membránpotenciál változásra reagálnak. Ezek a csatornák felelősek az akciós potenciál kialakulásáért egy elektromosan ingerlékeny sejtnél. Ha a Na+ áteresztő képesség megnövekedett, a Na+ beáramlik a sejtbe lecsökkentve ezzel a koncentráció gradienst és a nyitott csatorna területén depolarizált lesz a membrán. Ezzel szemben, ha a Cl- áteresztő képesség nő, a membrán hiperpolarizált lesz a nyitott csatorna környékén. A depolarizáció együtt járhat az akciós potenciál generálással, a neurotranszmisszióval, degranulációval (neurotranszmittereket tartalmazó vezikulák felszívódnak a neurotranszmitter távozása után) és az izomösszehúzódással. A hiperpolarizáció ezeknek a folyamatoknak a gátlásával függ össze. A nyugalmi membránpotenciál visszaállítása és fenntartása a Na+-K+-ATPáz pumpa feladata, amely aktívan lök ki Na+-t a sejtből.

26 Hogyan alakul ki a nyugalmi potenciál
Potenciálkülönbség intra- és extracelluláris tér között Amit figyelembe kell venni egy félig áteresztő membrán esetén: Ozmózisnyomás Diffúziós potenciál  Elektrokémiai potenciál

27 Ozmózisnyomás – egy ionra nézve
Ozmózis: A csupán tömegáramlást akadályozó szemipermeábilis hártyával elválasztott folyadékterekben lévő oldott anyagok koncentrációja hosszabb-rövidebb idő alatt kiegyenlítődik. Az oldott anyag mozgását a kémiai potenciál különbsége biztosítja. Ez a mozgás akkor válik igazán fontossá, ha csak a víz tud a szemipermeábilis hártyán átlépni, az oldott anyag nem. Ezt a térfogat-, és nyomásváltozással járó folyamatot ozmózisnak nevezzük.

28 Ion koncentráció gradiensek
Ionok esetében – ha a membrán két oldala között feszültségkülönbség van, ionáramlás történik a polaritásnak megfelelően Az ionáram függ (Ohm törvénye alapján): I = V*G I – áram, (pA) V – feszültség, (mV) G – konduktancia, (pikosiemens, pS) A potenciál kifejezés arra utal, hogy az illető anyag a magasabb koncentrációjú oldalon magasabb energiaszinten van jelen és spontán alacsonyabb energiaszint elérésére törekszik, vagyis mindaddig diffundál az alacsonyabb koncentrációjú oldalra, míg a koncentrációk, és így az energiaszintek ki nem egyenlítődnek. Az intracelluláris térben negatív töltésű fehérjék találhatók, míg az extracelluláris tér gyakorlatilag fehérjementes. A sejtmembrán fehérjékkel szemben impermeábilis, tehát az intracelluláris fehérjék nem hagyhatják el a sejtet. Mindkét térben találunk pozitív és negatív töltésű ionokat, melyek a nekik megfelelő ioncsatornán keresztül diffundálhatnak. A nem permeáló fehérje anionok jelenléte miatt a diffuzibilis ionok koncentrációja különbözik a két térben, vagyis egyenlőtlen ionmegoszlás alakul ki. Egyensúly esetén a membrán szivárgási csatornáin átdiffundáló ionok által létrehozott áramot a pumpa működése ellensúlyozza. Az így felírható egyenlet lényegében az Ohm törvényt követi. Az Ohm-törvény egy fizikai törvényszerűség, amely egy fogyasztón (pl. elektromos vezetékszakaszon) átfolyó áram erőssége és a rajta eső feszültség összefüggését adja meg. A törvény kimondja, hogy az elektromosan vezető anyagok a bennük áramló töltések mozgásával szemben a közegellenálláshoz hasonlítható elektromos ellenállással rendelkeznek. Ohm kísérletileg megállapította, hogy az áramerősség a vezeték két rögzített pontja között mérhető feszültséggel egyenesen arányos. Tehát ha a pumpa 1-1 arányban, és ellentétes irányban mozgatja a K+ és Na+ ionokat, akkor a spontán létrejövő szivárgási áramoknak is azonos nagyságúnak és ellentétes előjelűnek kell lennie. Azonban a már korábban említett ozmózisnyomás miatt 3-2 arányban működik a pumpa, de az előjelek stimmelnek.

29 Két folyamat egyensúlya - elektrokémiai potenciál, egyensúlyi potenciál
Ha 1 iont nézünk – K+ Bent: Nagy koncentrációjú KCl Kint: alacsony koncentrációjú KCl Tegyük fel, hogy csak K+-ra áteresztő a membrán Diffúzió után egyensúly Nemcsak az ionok eltérő mobilitása miatt kialakuló potenciálkülönbség befolyásolja azonban az ionok vándorlását. Külső forrásból származó elektromos feszültséggel is befolyásolni lehet az ionmozgást. Ha az „A” oldalon egy pozitív ion magasabb koncentrációban van jelen, mint a „B” oldalon, akkor kémiai potenciálja magasabb, és ezért a membránon át a „B” oldalra fog diffundálni. Ha azonban az oldatokba helyezett elektródokkal az „A” oldalt negatívvá tesszük a „B”-hez képest, akkor a pozitív ionok elektromos potenciálja a „B” oldalon lesz magasabb az „A”-hoz képest. Megfelelő nagyságú elektromos potenciálkülönbséget létrehozva, a pozitív ionok netto átlépése megszűnik, mivel az ellenkező irányba mutató kémiai és elektromos gradiensek hatása kiegyenlíti egymást. Ionok szemipermeábilis hártyán keresztül kialakuló diffúziójának vizsgálatakor tehát önmagában sem a kémiai, sem az elektromos nem elegendő a spontán létrejövő ionmozgás meghatározására. A kémiai és elektromos potenciált együttesen kell figyelembevenni. Ennek jellemzésére vezették be az elektrokémiai potenciál fogalmát. A Nernst egyenlet alapvető az ioncsatornák működésének megértéséhez: Feltételezi, hogy 1. A membrán két oldalán ion koncentráció különbség van 2. A membrán csak egy ionra áteresztő Habár a második feltétel sose teljesen igaz, jól leírja a folyamatot, segítségével kiszámíthatjuk két ion esetén a koncentrációkülönbség által kialakított elektromotoros erőt (kapocsfeszültséget), ami megfelel a membrán két oldala között kialakult potenciálkülönbségnek, vagyis a membránpotenciálnak. Nernst egyenlet: 0=z F EK+RTln[K+ B]/[K+ K] EK= -zF/RT x ln [K+ B]/[K+ K] EK= -58x lg[K+ B]/[K+ K]= -75mV ENa= mV Kezdő lépés R az egyetemes gázállandó T a hőmérséklet (K) z az ion valenciája F a Faraday-féle szám E: adott ion elektrokémiai potenciálja [ion]: ionkoncentráció

30 Szivárgás A membránpotenciál egyetlen ionra nézve se egyenlő az adott ion egyensúlyi potenciáljával (vagyis nem pont akkora a potenciálkülönbség, hogy ne legyen ionmozgás) Ionáram iránya: I = (Em-Eion)*G  az ionok megpróbálnak átjutni a membránon K+ próbál kijutni Na+ próbál bejutni Cl- próbál bent bejutni  szivárgás

31 Nyugalmi membránpotenciál – Em
Nernst-egyenlet – egy ion Goldman-Hodgekin-Katz (GHK) egyenlet – figyelembe veszi a membrán egyes ionokra vonatkozó permeabilitását Közel a K egyensúlyi potenciáljához – a sejtmembrán K-ra ~20szor permeábilisebb, mint Na-ra

32 Az ideg- és az izomsejtekben a Na+ konduktancia nyugalomban csak kb
Az ideg- és az izomsejtekben a Na+ konduktancia nyugalomban csak kb. századrésze a K+ és a Cl-konduktanciának, míg az akciós potenciál kialakulásakor a Na+ konduktancia több nagyságrenddel meghaladja a K+ konduktanciát (a membránpotenciál előjele is megváltozik), majd ellentétes változások zajlanak le és a membránpotenciál újra eléri a nyugalmi értéket, miközben az extra- és intracelluláris ionkoncentrációk gyakorlatilag nem változnak.

33 GHK egyenlet demo

34 Elektromos jelek Kívülről érkező információ elektromos jellé alakítása
Alapja: sejtmembrán elektromos tulajdonságainak változása - membránpotenciál változás Elektrotónusos potenciál Akciós potenciál

35 Elektromos jelek - Elektrotónusos potenciálok
Kiváltja: inger (receptor), transmitter Az elektrotónusos potenciálváltozás amplitúdója arányos a kiváltó inger intenzitásával /transzmitter mennyiségével - gradált Lehet depolarizáló vagy hiperpolarizáló membrán időkonstansa: az az időtartam, amely alatt a membrán potenciál eléri a végleges változás 1/e-ed részét τ = R • C R – ellenállás, C – kapacitás membrán térkonstansa: az a távolság, amely alatt a kiváltott hiper v. depolarizáció az eredeti 1/e-ed részére csökken - lokális, exponenciális csökkenés λ = rm / ri rm – membrán ellenállás, ri – axonális ellenállás Nincs refrakter peiródus Passzív, egyirányú membránpotenciál változás - feszültségfüggő Na+ csatornák nem nyitnak Ioncsatornák: machano/kemoszenzitív (receptorok), ligandkötő  Ha depolarizáció: bizonyos küszöbértéket elérve akciós potenciált vált ki A sejtmembrán polarizáltsága lehetőséget biztosít arra, hogy a környezetből származó ingerek által közölt információtartalom elektromos jellé, membránpotenciál-változássá íródjon át. A sejtek közötti információátadásban ugyancsak fontos szerepe van a potenciálváltozásnak, mint információs jelnek. A környezetből származó ingerek hatására vagy ligandok kötődésének következményeként a membránpotenciál megváltozik, ingerületi folyamat alakul ki. Az ingerhatás helyén, ill. a ligand (neurotranszmitter) kötődésének helyén ún. helyi (lokális) ingerületi folyamat, elektrotónusos potenciálváltozás jön létre. Elektrotónusos potenciál az érzéksejtek (ún. érző receptorok) inger hatására bekövetkező ingerülete, a receptorpotenciál. Ugyancsak elektrotónus a posztszinaptikus membránon transzmitter hatására kialakuló posztszinaptikus potenciál.  Helyi potenciálváltozások:  szenzoros neuron: axonvégződés (érző receptor): helyi depolarizáció  ez váltja ki a tovaterjedő ingerületet fiziológiásan közvetlenül ioncsatornák zárása v. nyitása váltja ki létrejött potenciál változás amplitúdója, térbeli kiterjedése, időbeli változása (lecsengése) meghatározó az AP fellépése szempontjából membrán időkonstansa: az az időtartam, amely alatt a membrán potenciál eléri a végleges változás 1/e-ed részét membrán térkonstansa: az a távolság, amely alatt a kiváltott hiper v. depolarizáció az eredeti 1/e-ed részére csökken Szenzoros idegvégződések: - szenzoros információ szenzoros receptorok potenciálváltozásával kezdődik. (elektrotónusos jell rec.-, generátor-v. szenzoros potenciál) - kiválthatja: mechanikai, terminális, kémiai ingerek, elektromágneses hullámok (fény) elektrotónusos posztszinaptikus potenciál (PSP): depolarizáló (EPSP) v. hiperpolarizáló (IPSP) létrejöttüket a transzmitter felszabadulás váltja ki - transzmitter ioncsatornát nyit- rec. maga az ioncsat.- ionotróp időbeli, térbeli szummáció EPSP-k+IPSP-k érvényesülő depolarizáló v. hiperpolarizáló hatás

36 Summation of EPSPs and IPSPs
EPSP = excitatory postsynaptic potential = serkentő posztszinaptikus potenciál; IPSP = inhibitory postsynaptic potential = gátló posztszinaptikus potenciál A központi idegrendszerben történő posztszinaptikus hatás általában nagyon alacsony, pár miliV, ami alig éri el a depolarizációhoz szükséges küszöböt. Hogy mégis elérje a küszöböt, sok kis stimulus összegződik (szummáció), és így már megtörténhet a depolarizáció. A szummáció történhet időben és térben is. A gátló potenciálok csökkenteni tudják a serkentő potenciálok hatását. A szummáció tehát lehetőséget ad a neuronnak arra, hogy az elektromos információt integrálja bármikor mind a gátló, mind a serkentő szinapszisoknál. Az akciós potenciál kialakulása a serkentés és gátlás közti egyensúlytól függ. Az egyensúly folyamatosan változik a serkentő és gátló szinapszisok számától függően. Szinapszisok egér hippocampus neuron-on - Szinapszisok száma emberi neocortexben ~ / neuron

37 AP demo

38 A nyugalmi potenciál és az elektrotónus kialakításában résztvevő ioncsatornák közös sajátsága, hogy vezetőképességük független a membránpotenciál értékétől. Az ideg- és az izomsejtek membránja abban különbözik a többi sejt membránjától, hogy olyan ioncsatornákkal is rendelkezik, amelyeknek vezetőképessége függ a membránpotenciál aktuális értékétől és esetleg időben is változik. A csatornák vezetőképességének feszültségfüggését ún. kapuzó (gating) részecskék jelenlétével magyarázzuk. A kapuzó részecskék a csatorna falában elhelyezkedő dipólusok, amelyeknek térszerkezetét a környező elektromos térerő nagysága és irányultsága befolyásolja. A csatorna nyugalmi állapotában a kapuzó részecskék orientációja megakadályozza az ionok átlépését a csatornán. Kellően nagy katelektrotónusos potenciálváltozás hatására a dipólusok átrendeződnek, a csatorna átjárhatóvá válik. A Na+ csatornák esetében egy másik kapuzó mechanizmus is van, amely ugyancsak feszültségfüggő módon nyitja ill. zárja a csatornát, ez az ún. inaktivációs kapu. A csatorna akkor vezetőképes, ha mindkét kapu nyitva van, ez a csatorna aktivált állapota. Amennyiben az inaktivációs kapu a membránpotenciál változás hatására, ill. az idő függvényében bezáródik, a csatorna vezetőképessége megszűnik. Ez az inaktivált állapot. Az újra aktiválhatóság feltétele a nyugalmi állapot helyreállása. A K+ csatornák esetében nincs inaktivációs kapu, a depolarizáció nyitja az aktivációs kaput, repolarizáció hatására pedig a kapu záródik. Az akciós potenciál egységnyi membránfelszínen található csatornapopulációk szinkron működésének következtében alakul ki. Amennyiben a katelektrotónus amplitúdója eléri azt a szintet, amely beindítja a feszültségfüggő Na+ csatornák megnyílását, beindul a Hodgkin ciklusnak nevezett eseménysor. A Na+ csatornák megnyílása Na+ ionok (pozitív töltések) belépését teszi lehetővé. A pozitív töltések felszaporodása depolarizál, ami további Na+ csatornákat nyit meg stb. A ciklus addig folytatódik, amíg a belső tér pozitivitása egyensúlyba nem kerül a Na+ ionokra ható koncentráció gradienssel, azaz el nem érjük a Na+ egyensúlyi potenciálját vagy amíg az összes Na+ csatorna meg nem nyílik. A valóságban a belső pozitivitás nem éri el ezt az értéket, mivel a Na+csatornák inaktiválódnak, ill. a depolarizáció megnyitja a feszültségfüggő K+ csatornákat is, amiken keresztül K+ionok lépnek ki, vagyis pozitív töltések távoznak a sejtből. Akciós potenciál: helyi depolarizáló inger hatására tovaterjedő AP jöhet létre AP teljes amplitúdója: mV ingerküszöb: a minimális depolarizáció, ami kiváltja az AP-t - amplitúdója a küszöbértéket elérő inger nagyságától függetlenül állandó AP: membránon átfolyó ionáramok következménye - Na permeabilitás több 100x-ra fokozódik, gyors, feszültségfüggő Na csat. - EC Na grádiensnek megfelelően befelé áramlik - depolarizálják a membránt (csúcspotenciál, spike) AP maximumának elméleti felső határa: Na egyensúlyi potenciál - Na permeabilitás, Na áram lecsökken, ill. megszűnik - ezzel párhuzamosan a K permeabilitás nő, kifelé áramlanak - membránpotenciált a negatív irányba viszik el  repolarizáció (nyugalminál kissé negatívabb lesz) AP nem éri el a Na egyensúlyi potenciálját, - Na permeabilitás még az egyensúlyi potenciál elérése előtt lecsökken - közben megindul a K permeabilitás fokozódása

39 Akciós potenciál ion fázisai 5 lépésben
Nyugalmi potenciál, kevés K+ csatorna nyitott (K+ ki), Na+ csatorna zárt Depolarizáció hatására nyílnak a Na+ csatornák (Na+ be), de ekkor még a többi K+ csatorna zárt A depolarizáció eléri a csúcsot, kialakul a „túllövés”, az akciós potenciál. A Na+ csatornák végül inaktív állapotba kerülnek, K+ csatornák nyitnak (K+ki) Megindul a repolarizáció, illetve hiperpolarizáció (alul lövés), a K+ csatornák nyitottak (K+ ki) Visszaáll a nyugalmi potenciál, K+ csatornák többsége bezár.

40 Repolarizáció, Refrakter periódus
K+ csatornák aktivációja okozza, habár nem esszenciálisak, sokkal gyorsabb repolarizációt biztosítanak, és így végbe mehet a neuronok gyors tüzelése A Na+/K+ pumpa a hosszútávú elektrokémiai gradiens fenntartásában játszik szerepet, nem a repolarizációban. Az abszolút reftrakter fázisban a Na+ csatornák inaktiváltak A relatív refrakter fázis alatt némely Na+ csatorna már aktiválható, de a megnövekedett K+ konduktancia a depolarizáció ellen dolgozik.

41 Az akcióspotenciál csúcsát meghatározza:
Az egyensúlyi Na+ potenciál A Na+ csatornák inaktivált ideje – hamarabb záródnak, minthogy elérnénk a Na+ egyensúlyi potenciálját

42 AP csökkenés nélkül terjed
Az AP haladásakor más területeken is AP-t eredményez A konduktancia gyorsaságát jellemzi • méret • mielinizáció Perifériás idegrendszer – Schwann-sejtek KIR – Oligodendrociták

43 Mielinhüvely Neuronok axonjait öleli körül – módosult plazmamembrán
Feladatai: Gyorsítja és hatékonyabbá teszi a neurotranszmissziót Szigeteli egymástól az idegsejteket Feladata: szigetelés. Növeli a membránellenállást és csökkenti a kapacitanciát, ezáltal növeli a konduktanciát, amely így 100-szorosára is nőhet. Tehát az axon mielinnel borított részének nem kell, hogy szerepet játsszon az ingerület továbbításában. Jelentősen csökken az ingerület terjedésének ATP igénye is, hiszen nem kell végig működtetni a Na-K-ATP-ázt. Hibás mielinizációnak aberráns nyúlványnövekedés, axonális degeneráció, az axonális transzport sérülése, nem megfelelő szinaptikus aktivitás lehet a következménye. Velőhüvely nélküli axon: AP depolarizáló fázisa elektrotónusosan átterjed a szomszédos membrán részletre elektrotónusosan depolarizálja egyre több Na csatorna nyit  ingerküszöb AP; Lokális áramkörök Velőhüvelyes axon: Axon membránja csak a Ranvier befűződéseknél érintkezik az extracelluláris folyadékkal, velőhüvelyes szakaszon kevés Na csat, Ranvier: sok Na csat AP csak itt alakul ki szaltatórikus vezetés

44 Impulzus haladása https://youtu.be/OZG8M_ldA1M
Elektromos feszültségváltozás történik a neuron stimulációjának hatására. Ha elég nagy, depolarizációt okoz és kialakul az akciós potenciál. Ez a depolarizáció egy másik akciós potenciált eredményez az axon további részén. Az ioncsatornák nyitottá válnak a szomszédos területen és pozitív töltésű ionok áramolnak be, míg a kiindulópontban lévő pozitív ionok kiáramlanak. Az akciós potenciál gyorsan továbbterjed az axon vége felé, közben pedig a kiindulópontban visszaáll az egyensúlyi potenciál.

45 Szinaptikus transzmisszió és agyi neurokémia