4. Informační a řídicí systém

Transkript

1 4. Informační a řídicí systém 4.1. Genetický systém Základy genetiky Základní pojmy Genetický informační systém živého organismu obsahuje stálou informaci předávanou dědičně z rodičů na potomky. Tato informace určuje skladbu a funkční jednotky dospělého organismu a způsob vývoje, jak jich dosáhnout. Genetický program je zakódován v makromolekulách nukleových kyselin DNK (deoxyribonukleová kyselina DNA) a RNK (ribonukleová kyselina RNA). DNK je hlavní složkou buněčného jádra, v němž je propletena mezi bílkovinami. Její molekuly o délce kolem 2 m jsou tvořeny dvojicí do pravotočivé šroubovice stočených řetězců (toto uspořádání objevili v roce 1953 Francis H.C.Crick , James D.Watson , Nobeova cena 1962), v nichž se střídají jednotky cukru (deoxyribózy) a fosfátu. Na každou jednotku cukru je připojena jedna ze čtyř dusíkatých sloučenin (bází) - adenin, cytosin, guanin a tymin. Tyto báze jsou spojeny se svými protějšky v druhém řetězci a to tak, že adenin se spojuje vždy jen s tyminem (dvouvalentní vazba) a cytosin s guaninem (třívalentní vazba). Cukr Obr.4.1. Schéma vnitřního uspořádání DNK s navázanou bází a fosfátem se nazývá nukleotid. Kombinace tří dvojic dusíkatých bází A-T či C-G definuje určitou aminokyselinu. Uspořádání těchto dvojic tedy určuje pořadí aminokyselin, z nichž se tvoří polypeptidy a bílkoviny; určuje tedy stavbu bílkovin v organismu. Peptid 1 je chemická sloučenina tvořená řetězcem aminokyselin (od dvou do několika desítek). Mezi peptidy patří řada hormonů (inzulín, hormony hypofýzy) a látek, sloužících ke vzájemné komunikaci mezi buňkami, např. v imunitním systému. Bílkovina (protein) je makromolekulární sloučenina tvořená řetězcem aminokyselin (až několik tisíc v jedné molekule). Struktura RNK je podobná struktuře DNK. Její molekula se ale skládá pouze z jednoho vlákna, jako cukr je využita ribóza a místo tyminu je báze uracil. Tyto rozdíly způsobují, že RNK je reaktivnější a méně stabilní než DNK. Proto je dědičná informace v buňce uchovávána v molekulách DNK a RNK slouží jen pro přenos a zprostředkování údajů z DNK. Sekvence nukleotidů v DNK, která reprezentuje skladbu jednoho polypeptidu bílkovinného řetězce, se nazývá strukturní gen 2. Strukturní geny kódují všechny základní morfologické i funkční znaky organismu. Gen je základní jednotka dědičné informace tvořená úsekem DNK. Gen odpovídá za vývoj určité charakteristiky organismu - charakter srsti, Obr.4.2 Struktura DNA (podle [42]) schopnost vidět barevně, atp. Zaujímá konkrétní, neměnné místo v řetězci DNK, lze jej tedy popsat topologicky (geometricky). Jeden gen má asi 900 dvojic dusíkatých bází (A-T, resp. C-G). Lidský organismus je vytvořen pomocí řádově 10 5 genů. Podle odhadu celkového množství DNK a maxi- 1 Peptid - řec. pepto - vařím, trávím, původně připraven natrávením bílkovin 2 Gen - reprezentuje původ -řec. gennao - rodím 22

2 málního možného počtu genů v buňkách obratlovců se usuzuje, že jen asi 10% DNK nese genetickou informaci. Skutečnou kombinaci dusíkatých bází, kterou nese gen nazýváme alela 3. Soubor všech vlastností, pro které má daný organismus geny, nazýváme genotyp a jejich konkrétní realizaci, tj. soubor všech alel genů daného genotypu nazýváme fenotyp 4. Obr.4.3 Vnitřní uspořádání chromozómů (podle [42]) Chromozómy DNK se natáčí na bílkovinách (histonech) v útvarech nazývaných nukleozómy (11 nm) - v této podobě se DNK vyskytuje v buněčném jádru v klidu. Při dělení buňky se nukleozómy stlačují do chromatinového vlákna (30 nm), které se stáčí do smyček,..., až je z toho chromozóm. Počet chromozómů: člověk makak rhesus šimpanz, gorila kůň ovce pes myš kur domácí - kohout kur domácí - slepice kapr skokan zelený rak poustevník octomilka nezmar hrách setý rajské jablko brambor kukuřice borovice žlutá (samci ptáků mají dva chromozómy X, samice pouze jeden; u některých druhů hmyzu a u hadů mají samci XX a samice XY) Chromozóm 5 je vláknitá struktura buněčného jádra, v níž je v podobě DNK obsažena dědičná informace. Člověk má v jádrech tělesných buněk 46 chromozómů - 2 sady po 23 chromozómů, z nichž každá sada pochází od jednoho rodiče (buňky obsahující dvojici chromozómů s týmiž geny nazýváme diploidní 6 ). Dva z nich jsou tzv. pohlavní chromozómy (gonozómy) - X a Y, rozhodují o pohlaví daného jedince (kombinace XX pro ženy, XY pro muže). Zbylé chromozómy (22 párů), tzv. autozómy, jsou totožné u obou pohlaví. Pohlavní buňky (gamety 7 ) obsahují pouze jednu sadu (haploidní buňky 8 ) - 23 chromozómů - 22 autozómů, vždy jeden náhodně vybraný chromozóm z dvojice autozómů, a jeden pohlavní chromozóm (X ve vajíčku a X nebo Y ve spermii). Druhově konstantní počet chromozómů je biologickým pravidlem, ale má výjimky (u rejska v různých lokalitách se mění počet chromozómů od 40 do 48). Poruchy chromozomů jsou příčinnou některých vrozených nemocí (Downův syndrom - mongolismus - v sadě chromozómů je o jeden 21. chromozóm více - jsou tři místo dvou; tzv. filadelfský chromozóm, který spojením devátého a dvacátého druhého chromozómu je přítomen v buňkách pacientů trpících jednou z forem chronické leukémie; Klinefelterův syndrom - onemocnění, kdy má muž dva i více chromozómů X - je provázeno snížením pohlavních funkcí a jinými abnormalitami; Alela - řec. allos - jiný, allelon - vzájemně, jeden s druhým (srvn. proměnná a její hodnota vs. gen a alela) 4 Fenotyp - řec. faino - zjevuji se 5 Chromozóm - řec. chroma - barva - při zpracování preparátu pro mikroskopii se dobře barví; řec. soma - tělo, tělísko 6 Diploidní - řec. diploos - dvojitý 7 Gameta - řec. gametes - manžel, gamos - svatba 8 Haploidní - řec. haploos - jednoduchý 23

3 Turnerův syndrom - onemocnění, kdy má žena pouze jeden chromozóm X - způsobuje omezení činnosti pohlavních žláz včetně neplodnosti, poruchy růstu aj.) Chromozómy jedné sady se navzájem morfologicky i obsahově (geneticky) liší. Chromozóm se skládá ze dvou chromatid oddělených zúženým místem - centromérou - umístěným ve střední části chromozómu či excentricky. Podle polohy centroméry se chromozómy označují jako telocentrický či terminální, akrocentrický 9 či subterminální, submetacentrický 10 či submediocentrický a metacentrický či mediocentrický Uspořádanou sadu chromozómů podle jejich velikosti a uložení centroméry nazýváme karyotyp 11. Obr.4.5 Karyotyp člověka Obr.4.4 Typy chromozómů Možný výskyt dvou různých alel téhož genu v jedné diploidní buňce (přičemž projevit se může Dominantní vlastnosti Recesivní vlastnosti pouze jeden typ vlastnosti) řeší existence tzv. dominantních ( převládajících) a recesivních ( ustupu- pihy nepřítomnost pih normální zrak krátkozrakost jících, potlačených, skrytých) alel. dalekozrakost normální zrak Dominance a recesivnost jsou relativní charakteristiky. Pokud se v tmavé vlasy plavé vlasy neryšavé vlasy ryšavé vlasy buňce vyskytne chromozóm nesoucí alespoň jednu dominantní alelu, hnědé oči modré nebo šedé oči volné ušní lalůčky víc prstů na rukou či nohou přirostlé ušní lalůčky normální počet prstů má vzniklý organismus vlastnost odpovídající této dominantní alele. odolnost vůči tuberkulóze náchylnost k tuberkulóze Jedinec vzniklý z buňky se krevní skupina A a B krevní skupina 0 stejnými alelami je čistokrevný (homozygotní ), jsou-li alely různé je kučeravé vlasy hladké vlasy normální pigmentace albinismus nový jedinec křížencem, hybridem, sklon k alergiím nealergické typy heterozygotem 13. normální srážlivost krve hemofilie Rozmnožování a modifikace genetické Tab.4.1 Dominantní a recesivní lidské vlastnosti informace 9 Akrocentrický - řec. akros - vrchol, okraj 10 Subterminální, submetacentrický 10 - řec. sub- předpona znamenající za, po, přes 11 Karyotyp - řec. karyon - ořech, jádro 12 Homozygotní - řec. homos - stejný; zygota - buňka vzniklá spojením vajíčka a spermie, řec. zygon - jho, jařmo, tj. tyč spojující dvě zvířata k tahu 13 Heterozygotní - řec. heteros - jiný 24

4 Pohlavní rozmnožování s dvěma sadami chromozómů je typické pro vyšší organismy ( eukaryonty 14 ). Vegetativní (nepohlavní) reprodukce je naopak spojena s nejnižšími organismy - viry, bakterie, sinice (prokaryonty 15 ). Jejich genová výbava je jednoduchá a dědičný materiál je uspořádán v jediném chromozómu, který se nevyskytuje v buněčném jádru, ale přímo v cytoplasmě. Buněčný životní cyklus se dělí na dvě základní období - tzv. klidové stadium (interfáze) a stadium buněčného dělení - mitózu a meiózu. Interfázi považujeme za klidové období pouze z hlediska dělení, jinak je to období vysoké metabolické a funkční aktivity (syntéza proteinů a nukleových kyselin). Naopak při dělení je tato činnost silně redukována a buňka se soustředí zejména na proces dělení. Mitóza 16 je forma buněčného dělení, při němž z jedné buňky vznikají dvě buňky dceřinné, které mají tentýž genetický obsah. Je základem vegetativního rozmnožování jednobuněčných organismů a růstu mnohobuněčných tkání během jejich individuálního vývoje. Probíhá v několika fázích, z nichž některé je možné dělení zastavit (cytostatika a genetická vyšetření). Naopak meióza 17 je složitější typ buněčného dělení, při němž z jedné buňky vznikají dvě buňky dceřinné, z nichž každá má jen polovinu základního počtu chromozómů, z každého páru jeden náhodně vybraný. Meiózou vznikají pohlavní buňky. Během jedné z fází meiózy dochází lokálně působícími tlaky ke zlomům sousedících chromatid. Toto porušení celistvosti chromozómů vyvolává enzymatický reparační proces, který náhodně napojí buď části téže chromatidy nebo části odlišných chromatid. Tento proces se nazývá překřížení (crossing-over). Pokud byly překřížené chromatidy nositeli odlišných alel, může se překřížení projevit rekombinací určitých genů. Tento jev je základem genetické variability eukaryontů. Kromě rekombinací genů překřížením může dojít ke náhodným modifikacím genetické informace i v jiných obdobích existence buňky - mutacím. Tyto trvalé změny genetického materiálu nastávají buď bez zřejmé souvislosti s vnějšími příčinami (spontánní - samovolné mutace) nebo je lze navodit některými fyzikálními či chemickými procesy (ionizující záření, nízké či vysoké teploty, yperit, kyselina dusitá,...), tzv. indukované mutace. Můžeme hovořit o mutacích na třech úrovních: mutace genové - postihují jednotlivé geny; mutace chromozómové - postihují větší či menší úseky chromozómů (chromozómové přestavby či aberace); mutace genómové - týkají se počtu chromozómů i chromozómových sad a postihují celý genóm, tj. celý soubor genů haploidní chromozómové sady. Mutace mají zpravidla negativní vliv (subvitální mutace snižují životaschopnost nositele, letální - lat. letum - smrt, vylučují možnost života), část mutací je neškodná a jen nepatrný zlomek mutací může být za určitých okolností prospěšný Přírodní výběr Teorie vývoje života je založena na dvou základních myšlenkách: koncepce Charlese Roberta Darwina ( ), vysvětlující původ živočišných druhů ( O původu druhů cestou přírodního výběru aneb zachování zvýhodněných odrůd v boji o život ); principu přenosu a uchovávání genetické informace; Thomas Robert Malthus ( ) - anglický biskup a ekonom, Pojednání o zákonitostech populace - zdůrazňoval obecný princip přírody, že živé organismy plodí více potomků, než je těch, kteří se dožívají dospělosti a jsou schopni se rozmnožovat - navzdory této mohutné rozmnožovací schopnosti mají dospělé populace sklon zůstávat od generace ke generaci počtem relativně stabilní. (podle Darwina) mezi potomky existuje výběr, kdo přežije a kdo zahyne; 14 Eukaryont - řec. eu- předpona s významem dobrý, správný; řec. karyon - ořech, jádro 15 Prokaryont - řec. pro- předpona s významem před nebo místo 16 Mitóza - řec. mitos - nit, vlákno 17 Meióza - řec. meiosis - zmenšení 25

5 jedinci téhož druhu se mezi sebou lehce liší; jedinci s určitými rysy, jež jim poskytují určitou výhodu (např. při získávání potravy, při útěku před dravcem, [jak je to se schopností se rozmnožovat?]), budou mít větší možnost (pravděpodobnost) přežití; při dané všudypřítomné proměnlivosti může přírodní výběr odpovídat za biologickou (jenom biologickou?) evoluci nebo příčinu toho co Darwin nazýval původ postupnou úpravou ; když se podmínky prostředí mění, přírodní výběr zajišťuje, že určité vlastnosti v náhodně proměnlivé populaci jsou zvýhodněné - Příroda zajišťuje přežití nejschopnějšího. (Herbert Spencer - anglický filozof a sociolog ( ) Genetické algoritmy Optimalizační úlohy Teorie optimalizace zahrnuje kvantitativní zkoumání optima a metody jeho nalezení. Definice má dvě části - (1) hledáme postup jak dosáhnout nějakého (2) optimálního bodu optimalizační kriteriální funkce rozlišujeme: (1) proces; (2) cíl, tj. to samotné optimum; Běžně se zkoumá konvergence metod (jestli dokážou nalézt optimum), zapomíná se ale na to, jak to dělají z teorie výpočetní optimalizace, přirozený požadavek to ale není - Jak posoudíme, že businessman udělal dobrý či špatný job? - udělal dobře, když rozhodnul přiměřeně času a informaci, které měl k dispozici správnost je posuzována relativně vůči konkurenci, nikoliv dle toho, jestli bylo nalezeno optimum konvergence není problém businessu, resp. obecně reálného života, většinou jde o to vyřešit problém lépe než jiní přerovnání priorit - nejdůležitější cíl optimalizace v reálném životě je zlepšení, u komplexních systémů je dosažení absolutního optima mnohem méně důležité Typy optimalizačních úloh a) výpočetní α) nepřímé; β) přímé; b) enumerativní; c) náhodné. ad aα) hledají lokální extrém řešením obecně nelineární soustavy definičních rovnic, vytvořených za předpokladu, že gradient optimalizační funkce je roven nule; ad aβ) hledají lokální extrém pohybem po ploše optimalizační funkce řízeným lokální hodnotou jejího gradientu; obě metody - předpokládají spojitost optimalizační funkce; - jsou lokální, výsledek závisí na počátečních podmínkách řešení; - závisí na existenci derivací (potíže nastávají již s jejich numerickou aproximací); ad b) hledají optimum výpočtem optimalizační funkce v konečném počtu bodů prostoru možných řešení (tak to dělají lidé, je-li malý prostor řešení); obrovská výpočetní náročnost při velkém počtu rozměrů prohledávaného prostoru dynamické programování selhává při problémech střední velikosti a složitosti; ad c) 26

6 ryze náhodné metody nedosahují lepších výsledků (přesnost, pracnost) než enumerativní metody - pozor však na metody, které používají náhodnosti pouze jako dílčího prostředku používaného při prohledávání prostoru možných řešení BĚŽNÉ OPTIMALIZAČNÍ METODY NEJSOU DOSTATEČNĚ ROBUSTNÍ (odolné vůči chybám zadání či výpočtu) - ale né, že by nebyly užitečné. K čemu jsou genetické algoritmy? Obr.4.6 Různé typy optimalizačních funkcí (podle [24]) GA jsou postupem umožňujícím hledání (optimálního) řešení určitého problému v multidimensionálním prostoru všech možných řešení, který vychází z mechanismů přírodního výběru a genetických zákonitostí, jimiž se řídí živé organismy. Cílem při jejich vytváření bylo: a) abstrahovat a přesně a jasně vysvětlit adaptivní procesy v živých systémech; b) navrhnout optimalizační postup, jenž by zachovával podstatné mechanismy adaptace živých systémů. V čem to vězí? Základní principy GA pracuje s množinou možných řešení (populací) - co jedinec, to řešení; vlastnosti jedinců (dané hodnotami parametrů) jsou zakódované v chromozómech - řetězcích zakódovaných hodnot (alel) parametrů (genů) prostoru řešení; principiálně lze použít jak haploidních (jednodušší varianta), tak diploidních jedinců; 27

7 jednoparametrický problém - řetězec číslic - v jaké číselné soustavě? - binární?, desítkové?, jakékoliv jiné? Číslo musí být dost dlouhé, aby operace nad ním měly smysl a dost krátké, abychom se příliš nenadřeli multiparametrický problém - P1 P2 P3... PN M A B M Z M M pro jednotlivá individua v populaci použijeme genetické operátory - reprodukce, křížení a mutace reprodukce je proces, při kterém jsou jednotlivé řetězce začleňovány do nové populační generace jednak náhodně, jednak podle jejich kvality z hlediska daného řešeného problému (podle jejich vhodnosti) - tuto kvalitu oceňujeme pomocí tzv. funkce vhodnosti ( fitness function ) která udává míru užitečnosti daného řešení, resp. cenu dobrých vlastností daného řešení, daného jedince nabývá nezáporných reálných hodnot; čím je větší, tím je lepší; reprodukce jedinců podle hodnot jejich funkce vhodnosti znamená, že řetězce s její vyšší hodnotou mají vyšší pravděpodobnost vytvořit potomka(y) v příští generaci (umělá verze přírodního výběru); reprodukční operátor může být implementován různě - pravděpodobně nejjednodušší formou je použití rulety, na které má každý řetězec vymezenou úseč, která odpovídá procentu jeho funkce vhodnosti - abychom rozhodli, který řetězec bude reprodukován, použijeme ruletového výběru tolikrát, kolik obsahuje populace jedinců - kandidát bude zařazen do tzv. mateční množiny ( mating pool ), prozatímní nové generace, na kterou budou uplatněny další genetické operátory; křížení jednoduché křížení probíhá ve dvou krocích 1) náhodně jsou k sobě vybrány dva členové nově vytvořené mateční skupiny; 2) každý pár je podroben křížení podle následujícího postupu: Obr.4.7 Reprodukční operátor pomocí ruletového pravidla - náhodně je vybráno celé číslo k 1,l-1, kde l je délka řetězců; - dva nové řetězce jsou vytvořeny výměnou symbolů mezi polohou k+1 a l, včetně. A 1 = při hodnotě k = 4 A 1 = A 2 = A 2 = křížení ve dvou bodech - jakpak by to asi mohlo být? uniformní křížení maska křížení rodič potomek rodič operátor křížení je použit pro rodiče s určitou pravděpodobností (typicky 0,6-1,0); není-li křížení použito- potomci se vytvářejí kopírováním rodičů, tj. možnost přenosu genetické informace beze změny; mutace příležitostná náhodná změna jednoho symbolu v řetězci s malou pravděpodobností (typicky 0,001-0,01); mutace udržuje různost genetického materiálu, čímž zaručuje, že pravděpo- 28

8 dobnost ověření jakéhokoliv bodu v prostoru řešení není nulová, v umělých genetických systémech je mutační operátor využíván k ochraně před neobnovitelnou ztrátou Vlastní genetický algoritmus 1) náhodné generování počáteční populace (inicializace algoritmu); 2) určení vhodnosti každého jedince v populaci; repeat 3) určení pravděpodobnosti výběru každého jedince; 4) výběr subpopulace pro reprodukci; 5) vznik nových jedinců náhodnou reprodukcí; 6) náhodná mutace nových jedinců; 7) určení vhodnosti nových jedinců; 8) zařazení potomků do nové populace until podmínka ukončení; Vysvětlivky: krok 1 - čím jsou jedinci této inicializační populace rozmanitější (co do vlastností), tím více genetické informace je v populaci obsaženo; není vhodné inicializovat algoritmus s populací částečně vyhovující řešení problému; krok 2 a 7 - co dodat? krok 3 - poměr hodnoty funkce vhodnosti k součtu funkcí vhodnosti všech jedinců v populaci; krok 8 - dva typy nahrazení: 1) celá populace se nahradí potomky v každé generaci; 2) potomky se nahradí jen málo jedinců (vícegenerační soužití); výběr jedinců pro nahrazení: - výběr rodičů podle vhodnosti a náhodný výběr nahrazovaných; - náhodný výběr rodičů, výběr nahrazovaných podle nejmenší funkce vhodnosti; - výběr obou skupin podle maximální, resp. minimální vhodnosti; index x 1+sinx kód kam kód kód mut kód x 1+sinx , , , , , , , ,8, , , , , , n ,9962 n ,9999 n ,0000 A ,0000 n ,3180 n ,0000 n ,7547 n ,7547 n , , n , Tab.4.2 Jeden krok výpočtu pomocí genetického 29 algoritmu (podle [23])

9 4.2. Fyziologický systém Základní blokové schéma Obr.4.8 Blokové schéma fyziologického informačního a řídicího systému (podle [1]) Vstupní jednotky Vstupní jednotky fyziologického systému představují buď jednotlivé receptory nebo složitější receptorové struktury - tzv. smyslové orgány. Vstupní jednotky poskytují řídicímu centru informace z vnějšího i vnitřního prostředí organismu. Tyto jednotky převádějí různé druhy energie (nosiče informace) - mechanickou, tepelnou, elektromagnetickou, chemickou,... - na vzruchy takového charakteru, které mohou být přenášeny a zpracovávány nervovou soustavou organismu, přičemž není třeba uchovávat informaci o druhu stimulační energie. Vstupní jednotky lze rozlišit na základě dvou kritérií: I: a) receptory 1 specializované buňky rozmístěné v různých oblastech organismu a s různou hustotou; b) smyslové orgány - jsou tvořeny specializovanými receptory jednoho typu, umístěné a uspořádané v určitém omezeném prostoru - toto uspořádání může poskytnout recepčnímu systému další užitečné vlastnosti. II: a) vstupy z externího prostředí; b) vstupy z interního prostředí. Ad IIa) zrakový orgán - oko - převádí pomocí fotochemických reakcí světelné záření (elektromagnetickou energii) na elektrické napětí; - primární převodní soustava je tvořena specializovanými nervovými buňkami - tyčinkami a čípky - adaptace a akomodace 2 optického systému, převod i předzpracování informace, vše řízeno centrální nervovou soustavou (CNS); sluchový orgán - ucho - mechanické (akustické) podněty převádí na sled elektrických impulsů; - přizpůsobení vlastností převodního systému i vlastní převod jsou řízeny CNS; čichový orgán - nos - převádí chemické podněty na sled elektrických impulsů; - adaptace i vlastní převod řízeny CNS; chuťové receptory (chemická energie); povrchové kožní receptory - - hmatové (mechanická energie); - tepla a chladu (tepelná energie); 1 Receptor - lat. re- předpona označující opakování, znovu, zpět; lat. capere - přijímat, chápat se) 2 Akomodace - lat. commodare - přizpůsobit 30

10 - bolesti - somatická bolest - (mechanická a tepelná energie); vestibulární (rovnovážný) orgán - převádí mechanické podněty; - určuje polohu a zrychlení pohybu; Ad IIb) receptory změn fyzikálních a chemických parametrů krve a jejího oběhu (mechanická a chemická energie); receptory změn mechanických a chemických parametrů vstupních, výstupních a distribučních jednotek zažívacího traktu - (mechanická a chemická energie); receptory hluboké citlivosti (proprioreceptory 3 ) - schopnost organismu detekovat stav svalů a jeho změny vyvolané svalovou činností a pohybem těla (mechanická energie) - jsou trojího druhu: - polohové - informují o vzájemné poloze částí těla a postavení kloubů; - pohybové - detekuje pohyb kloubů, jeho rozsah a rychlost; - silové - umožňují stanovit svalovou sílu a odpor během konaného pohybu; receptory vnitřní (hluboké) bolesti - svaly, klouby, pojiva (mechanická a chemická energie). Detekční senzorický práh je určen nejmenší hodnotou vnímatelného podnětu. Detekční práh za optimálních podmínek (např. vnímání nerušeného harmonického zvuku optimální frekvence dostatečně odpočatým sluchovým systémem) označujeme jako absolutní (minimální) senzorický práh. Rozdílový detekční práh - minimální rozdíl velikostí podnětů, které organismus dokáže identifikovat jako dva různě silné podněty. Weberovo pravidlo pro rozdílový práh - S/S = konst. Weber-Fechnerův zákon - intenzita vjemu (V) a intenzita podnětu (S) jsou vázány logaritmickou funkcí - V = k.ln(s/s 0 ), kde S 0 je prahová intenzita podnětu. Každá vstupní jednotka je specifická - převádí (s nízkým detekčním prahem) pouze jeden druh energie (mechanickou, tepelnou, elektromagnetickou nebo chemickou). Tato vlastnost plyne z různé struktury a organizace jednotlivých receptorů. Ovšem s vyšším detekčním prahem jsou receptory schopny reagovat i na jiné druhy stimulační energie Centrální procesor Centrální procesor se skládá z centrální nervové soustavy (CNS), endokrinní 4 (humorální 5 ) soustavy (ES) a jejich propojení. (Přesné oddělení nervové a endokrinní soustavy ale není prakticky možné - některé typické funkce obou soustav jsou často zajišťovány tímtéž anatomickým orgánem.) Endokrinní systém Struktura ES řídí autonomní biologické funkce - výživu, metabolismus 6, tělesný růst, tělesný a psychický vývoj a zrání, pracovní výkonnost, sex a rozmnožování, přizpůsobování (adaptaci) změnám vnějšího i vnitřního prostředí organismu (homeostáze); Je specializován na pomalé přenášení signálů. Informace je přenášena prostřednictvím hormonů 7, což jsou chemické sloučeniny, které se tvoří zpravidla v endokrinních žlázách (žlázách s vnitřní sekrecí) a krví (případně difúzí) jsou roznášeny k buňkám cílových orgánů. Kromě endokrinních žláz produkují hormony i další buňky rozmístěných v různých orgánech - např. trávicím traktu. Cílová buňka může mít různé receptory (speciální vazební místa, jimiž si buňka vyhledává v krvi svůj specifický signál) jak pro různé hormony (inzulín vs. glukagon), tak pro tentýž hormon. 3 Proprioreceptory - lat. proprio - vlastní 4 Endokrinní - řec. endo- předpona s významem uvnitř, vnitřní; řec. krino odděluji, vylučuji 5 Humorální - lat. humor - tekutina 6 Metobolismus - řec. meta-. předpona označující za, po, přes; řec. metaballo převracím, dosl. přehazuji, metabole znamenalo výměnu, směnu zboží a odtud přeměna látek 7 Hormon - řec. hormao - probouzím, poháním 31

11 Žláza (řec. aden) je orgán či jen skupina buněk specializovaných na tvorbu a vylučování látek, dále používaných organismem k jiným účelům. Žlázy s vnitřní sekrecí nemají vývod a své produkty (hormony) vylučují přímo do krve. Nejvýznamnější žlázy s vnitřní sekrecí jsou - podvěsek mozkový ( hypofýza), štítná žláza, příštítná tělíska, nadledviny, pohlavní žlázy ( vaječníky, varlata), příp. Langerhansovy ostrůvky slinivky břišní. Žlázy s vnější sekrecí ( exokrinní žlázy) své produkty (hlen, pot, trávicí šťávy,...) vylučují vývodem na povrch těla nebo do dutin tělesných orgánů (např. střeva) - např. potní žlázy, slinné žlázy, slinivka břišní, játra,... Hormony se v mnoha případech uvolňují na základě nervových signálů šířících se v CNS. Tvorba hormonů je řízena hlavně v hypotalamu. Zde se nervový signál přeměňuje přímo na výdej hormonů a sekundárně z adenohypofýzy (přední lalok podvěsku mozkového) nebo primárně z neurofypofýzy (zadní lalok podvěsku mozkového). Většina hormonů adenohypofýzy řídí periferní endokrinní žlázy (viz obr.4.9), z nichž je pak uvolňován konečný hormon. V periferních žlázách může Obr.4.9 Základní vazby mezi nervovou a endokrinní soustavou člověka (podle [8]) být hormony přenášený signál různě upraven. Uvolňování hormonů z adenohypofýzy řídí stimulační a inhibiční hormony z hypotalamu. Hormony neurohypofýzy se tvoří v hypotalamu, jsou axoplasmaticky přeneseny do neurohypofýzy a odtud uvolňovány působením NS. Náhrady funkce žláz s vnitřní sekrecí Vzhledem ke složitosti celého endokrinního systému i funkcí jednotlivých žláz se dosud neobjevily jejich umělé náhrady, vyjma slinivky břišní, jako zdroje inzulínu u diabetiků. Problémy s nedostatečnou sekrecí hormonů jednotlivých žláz se proto zpravidla řeší formou hormonální terapie, kdy jsou hormony (syntetické či zvířecí) podávány z vnějšku Slinivka břišní Struktura a funkce Slinivka břišní (pankreas - řec. pan - všechno; kreas - maso) je žláza (dlouhá cm a vážící cca 75 g u dospělé osoby) s vnější i vnitřní sekrecí, umístěná za žaludkem, částečně v kličce dvanáctníku. Významně větší část slinivky vylučuje do dvanáctníku až 2 l/den trávicích šťáv s různými enzymy 8 - např. amylázou, lipázou, trypsinem. Obr.4.10 Slinivka břišní (podle [5]) 8 Enzym - bílkovina, která je v malém množství schopna urychlit průběh určitého biochemického děje - řec. enpředpona pro uvnitř, dovnitř; řec. zyme - kvasnice 32

12 V exokrinní tkáni je roztroušeno asi milión navzájem oddělených, vysoce prokrvených a individuálně inervovaných buněčných shluků, tzv. Langerhansovy ostrůvky (každý v průměru cca 150 µm a celkem asi 1-2 % celkové hmoty slinivky), které tvoří endokrinní část slinivky. Langerhansovy ostrůvky (L.O.) se skládají z: alfa buňky (cca 15 % hmoty ostrůvků) na okrajích L.O. vylučují glukagon - katabolický 9 hormon; beta buňky (cca 80 % hmoty ostrůvků) v centrálních částech L.O. vylučují inzulín - anabolický 10 hormon způsobující ukládání karbohydrátů, bílkovin a tuků v játrech, svalech a tukové tkáni; delta buňky - produkují somatostatin - pravděpodobně zpomaluje sekreci inzulínu a žaludečních šťáv a tím prodlužují absorpci potravy; PP buňky - vylučují pankreatický polypeptid s neznámou funkcí. Hormony jsou vylučovány do vrátnice, cévy procházející slinivkou a dále pokračující do jater. Cukrovka Cukrovka (diabetes 11 ) je systémová chronická nemoc vyplývající z poruchy metabolismu způsobené buď nedostatečným vylučováním inzulínu (typ I - inzulín dependentní - juvenilní diabetes) nebo jeho nedostatečnou účinností (typ II - inzulín nondependentní - 90 % případů). Akutní komplikace - diabetické kóma - hyperglykémie s následnými poruchami vnitřního prostředí včetně acidobazické rovnováhy. Chronické komplikace - poškození ledvin, poškození očí, zejména sítnice, urychlení aterosklerózy, poškození drobných cév,... Technické prostředky regulace hladiny krevního cukru Tři hlavní charakteristiky přirozené regulace hladiny krevního cukru slinivkou: systém regulace pracuje jako zpětnovazební s poměrně úzkým rozpětím regulovaných hodnot; sekrece inzulínu do vrátnice je účinnější než sekrece do cév velkého krevního oběhu, protože inzulín po vyloučení vstupuje nejdříve do jater; pulzní režim vylučování inzulínu je účinnější než kontinuální režim. Z technického hlediska je cukrovka projevem poruchy biologického zpětnovazebního mechanismu řídicího sekreci inzulínu podle úrovně koncentrace glukózy v krvi. Z tohoto hlediska by tedy mělo být možné dospět k nápravě jednak zlepšením činnosti receptorů snímajících hladinu krevních cukrů, resp. jejich náhradou, jednak zesílením stimulů, na jejichž základě dochází k vylučování inzulínu. Problémy cukrovky se řeší především: farmakologicky různými formami inzulínu a způsoby podávání (intravenózně, podkožně, nosní spreje,...); technickými prostředky podávání (mimotělní a implantabilní pumpy); chirurgickou náhradou zdrojů inzulínu (transplantace celého orgánu, ostrůvků, příp. samotných beta buněk, spolu s či bez genetických úprav a spolu či bez imunitní ochrany). Klasická a nejčastější současná forma podávání inzulínu je pomocí injekčních stříkaček a per, která umožňují pohodlnější dávkování. Inzulín je do pera umístěn v kazetách, které obsahují až 3 ml inzulínu o koncentraci 100 U/ml. Při normálním režimu může jedna kazeta inzulínového pera vydržet až 6 dní. Další způsoby podávání inzulínu jsou spíše ve stadiu výzkumu. Nosní spreje se mohou stát užitečným nástrojem inzulínové terapie za předpokladu, že budeme schopni spolehlivě stanovit jednotlivé dávky. Jinou cestou může být použití pružných, transkutánně plnitelných zásobníků, ze kterých inzulín kontinuálně odtéká katetrem do pobřišnicové dutiny a odtud kapilárními stěnami do vrátnice. 9 Katabolismus - součást metabolismu spočívající v rozkladu složitějších látek pro získání energie - řec. katapředpona s významem dolů, proti, zpět; řec ballo - házím, bole - hod 10 Anabolismus - vytváření složitějších a větších molekul a ukládání energie do zásoby - řec. ana- předpona s významem nahoru, zpět, opět, podle 11 Diabetes - řec. dia- skrz; řec. baino - chodím; tekutina jako by nemocným pouze procházela 33

13 Nevýhody tohoto přístupu zatím jsou - zásobník může vyvolávat různé nespecifické reakce okolní tkáně a může se stát zdrojem infekce, případně se může katetrový vývod ucpat buď inzulínovými krystaly nebo usazeninami biologického původu. Externí inzulínové pumpy se v praxi neuplatnily, poněvadž představovaly příliš těžkopádné a společensky neakceptovatelné řešení. ImplantabiIní programovatelné inzulínové pumpy - používají se např. i při podávání heparinu (látka snižující srážení krve) nebo chemoterapii při onkologických onemocněních. Na rozdíl od uvedených příkladů podávání inzulínu požaduje programovatelné pumpy s nastavitelnou rychlostí toku podle množství a kvality přijímané stravy. Nepracují s automatickou zpětnou vazbou založenou na měření koncentrace krevní glukózy, ale jejich funkce mohou být programovány pacientem podle jeho potřeb.implantabilní pumpy poskytují pacientům větší pohodlí, neobtěžují tolik a nepředstavují nebezpečí infekce v místě průchodu katetru kůží. Neumožňují pouze intravenózní, nýbrž i efektivnější intraperitoneální podávání. Vysvětlivky k tab. 4.3 Obr.4.11 Schéma implantabilní inzulínové pumpy Váha/velikost - inzulínové pumpy se vyrábějí ve tvaru disku (obr.4.12); uvedené hodnoty jsou průměr a výška pumpy Typ INFUSAID Model 1000 MIP 2001 SIEMENS ID3 Výrobce Strato/Infusaid Norwood,MA, USA Minimed Technologies Sylmar, CA, USA Siemens-Elema Solna, Švédsko Váha / velikost 275 g / 9 x 2,7 cm 145 g / 8 x 2 cm 145 g / 8 x 2,1 cm Princip pumpy freon píst píst Tlak v zásobníku kladný záporný záporný Životnost baterie > 3 roky > 3 roky > 3 roky Objem zásobníku 25 ml 15 ml 20 ml Koncentrace inzulínu 100 I.U. 400 I.U. Obr Inzulínová I.U. pumpa Frekvence plnění 4-6 týdnů 8-12 týdnů Minimed MIP týdnů Bazální rychlost 0-50 U/hod 0,13-30 U/hod 0,1-20 U/hod Jednorázová dávka 0-99,9 I.U. 0,2-32 I.U. 0,1-20 I.U. Způsob podání dávky obdélníková vlna okamžitá dávka obdélníková vlna Výměnný katetr ano ano ano Boční vývod ano ne ano Diagnostika katetr + pumpa není katetr Obr.4.13 Schéma vnitřního uspořádání Tab.4.3 Technické parametry vybraných implantabilních programovatelných inzulínové inzulínových pumpy SynchroMed pump Princip pumpy - freonová pumpa se skládá ze dvou zásobníků oddělených pružnou, skládanou membránou. Jeden ze zásobníků je naplněn koncentrovaným 34

14 roztokem inzulínu, druhý tekutým freonem, který vytváří páru o tlaku 0,6 baru při teplotě 37 C. Freonovými párami vyvinutý tlak vytlačuje inzulín do katetru. Energie freonu se obnovuje při každém doplňování inzulínu, kdy nová inzulínová náplň zmenší objem freonového zásobníku a tím freonové páry znovu zkapalní. Elektrická energie je ve freonové pumpě používána pouze k ovládání ventilů a pro řídicí elektroniku. Obr.4.15 Jednotlivé součásti inzulínové pumpy s měřením koncentrace glukózy Jednorázová dávka - umožňuje uspokojit požadavky na zvýšenou potřebu inzulínu během a po jídle. Okamžitá (impulsní) dávka zajišťuje rychlejší a intenzivnější dodávku inzulínu do periferie krevního oběhu. Také se více podobá přirozenému způsobu vylučování slinivkou. V současnosti však nejsou dostupná experimentální data pro posouzení kvality obou uvedených způsobů vypuzování jednorázových dávek inzulínu. Velikost jak bazálního toku, tak jednorázové dávky může být nastavena pacientem pomocí vnějšího programovatelného ovládacího modulu (obr.4.14). Boční vývod - vývod na katetru umožňující jeho čištění - problémy s katetrem jsou nejčastější příčiny chybné funkce pumpy (ucpání katetru nastává až u 14% pacientů s intraperitoneálním katetrem a až u 22% pacientů s intravenózním katetrem). Obr.4.14 Možná provedení ovladačů pro inzulínové pumpy Komerční cena implantabilních inzulínových pump není zatím stanovena. Očekává se, že by se mohla pohybovat v rozsahu od do $ plus náklady na operaci ( $) a doplňování inzulínu. Pokud se objeví poruchy pumpy nebo katetru, náklady dále rostou. Inzulínová pumpa s měřením hladiny krevní glukózy Zařízení tohoto typu se skládají ze tří dílčích subsystémů - monitor hladiny krevní glukózy, vlastní inzulínová pumpa a systém řízení. Monitor hladiny krevní glukózy musí dostatečně dlouhou dobu zachovávat přesnost měření, musí umět měřit hodnoty koncentrace glukózy dostatečně často a musí být biokompatibilní. Nejvíce zkušeností bylo až dosud získáno s enzymatickými senzory a s neinvazivními optickými metodami. Enzymatické senzory se dělají ve formě jehlové intravenózní sondy s vlastním senzorem umístěným v podkožní tkáni nebo jako kompletně podkožně implantovatelné zařízení bez potřeby mechanického kontaktu s vnějším prostředím. Enzymatické senzory se skládají z imobilizovaného enzymu (používá se oxidáza glukózy) a připojení na elektrochemický převodník. 35

15 Oxidáza je enzym, katalyzující oxidaci reakce, při níž dochází k přenosu elektronu na kyslík. Enzym je bílkovina, která je v malém množství schopna výrazně urychlit průběh určité biochemické reakce nebo děje. Oxidáza glukózy katalyzuje reakci glukóza + O 2 kyselina glukónová + H 2 O 2, přičemž tvorba peroxidu vodíku (H 2 O 2 ) je přímo úměrná množství glukózy. Dřívější senzory odhadovaly množství peroxidu přímo měřením elektrického proudu, který vznikal konverzí H 2 O 2 na vodu. Bohužel vznikající peroxid silně degraduje použitou oxidázu. Abychom se tomu vyhnuli, používají se alternativní senzory, které nepřímo měří spotřebu krevního kyslíku (podle výše uvedené reakce) ve vztahu k referenčnímu senzoru. Senzory, které takto automaticky odplavují H 2 O 2 a různé další molekuly, umožňují minimalizovat inaktivaci enzymů, příp. další nespecifické interakce. Přes dlouhodobý vývoj mají enzymatické senzory neustále problémy s biokompatibilitou. Zánětlivé procesy spojené s implantací mohou způsobit značný pokles účinnosti senzorů či obecně nestálost jejich vlastností, příp. mohou snížit koncentraci glukózy v intersticiální kapalině či tok glukózy z cév přes intersticiální 12 kapalinu. Nevýhodou enzymatických senzorů je tedy zejména jejich invazivnost a z toho vyplývající problémy. Tuto nevýhodu nemají senzory optické, které zkoumají vlastnosti světla po průchodu cévou či prokrvenou tkání. Jsou založeny na skutečnosti, že absorpce světla způsobená glukózou nastává v oblasti blízkého infračerveného světla ( nm). Bohužel tuto vlastnost mají i jiné substance, jako např. voda, bílkoviny nebo hemoglobin. K rozlišení vlivu glukózy na vlastnosti světelného spektra se proto používají metody založené na zkoumání signálů z různých širokopásmových detektorů. Přesto mohou být výsledky závislé na změnách teploty, intenzity světla či umístění senzorů. Protože dosavadní přístupy zatím nevedou k dostatečně spolehlivým řešením, je snaha hledat další alternativní řešení. Jednou z možností je použití mikrodializační sondy, která extrahuje glukózu z podkožní intersticiální kapaliny a dále zpracovává v externí senzorové jednotce. Druhý, v tomto případě méně invazivní, přístup spočívá v extrakci glukózy z podkožní tkáňové kapaliny pomocí slabého elektrického proudu. Obě tato řešení jsou ale závislá na časovém posunu mezi koncentracemi glukózy v krvi a ostatními tělními tekutinami (až 20 minut). Druhý postup navíc způsobuje různé nežádoucí lokální kožní reakce po řádově hodinové aplikaci. Vlastní senzor by měl být doplněn externím displejem naměřených hodnot pro kontrolu pacientem. Monitory hladiny krevní glukózy jsou v současnosti nejslabším článkem celého systému automatické umělé slinivky. Řídicí jednotka, která by měla být součástí pumpy a tedy s ní implantovaná dovnitř těla, vyžaduje od hardwaru i řídicích algoritmů velkou míru spolehlivosti a důvěryhodnosti. Miniaturizovaná výpočetní řídicí jednotka by měla být schopna vzorkovat, filtrovat a interpretovat data přicházející ze senzorů, srovnávat je s dostupnými normály a potom přesně dávkovat množství inzulínu tak, aby byl stále udržován stav normoglykémie. Řídicí systém musí dokázat kompenzovat jakékoliv změny měřených parametrů. Např. údaje přicházející ze senzoru mohou obsahovat náhodné chyby a mohou se měnit s časem. V takových případech musí být systém schopen rozhodnout, zda určitý extrémně odlišný údaj ignorovat či akceptovat. To je důležité i z toho důvodu, že se vstupní data používají nejen pro vyloučení určité dávky inzulínu, nýbrž i pro kalibraci senzorů a parametrů řídicích algoritmů, závisejících na tělesné hmotnosti pacienta a okamžité účinnosti metabolismu. Dále, údaje o množství a rychlosti vylučování inzulínu z pumpy nemusí (díky ucpání katetru) odpovídat množství inzulínu dodaného do organismu. Výpočetní řídicí systém musí být schopen problém odhalit - buď nepřímo z požadavků na zvýšení množství inzulínu nebo požadovaného tlaku nebo přímo z hodnot průtoku měřených senzory umístěnými na konci katetru. V současné době již zřejmě není problémem návrh vlastního řídicího algoritmu, ale zejména počáteční kalibrace celého systému. 12 Intersticium - vmezeřená tkáň orgánu, kterou tvoří řídké vazivo; představuje konstrukční tkáň, v níž jsou umístěny buňky vlastní funkční tkáně daného orgánu -parenchym; lat. interstitium - mezera) 36

16 Požadavky, kladené řídicími algoritmy na výpočetní výkon řídicí jednotky, je možné na současné technologické úrovni snadno splnit. Jednotlivé součásti umělé slinivky jsou navzájem propojeny radiovým signálem Centrální nervová soustava Z čeho se to skládá Centrální nervová soustava (CNS) je nejvyšším řídicím a integrujícím systémem v organismu. Obsahuje centra pro zpracování, řízení a uchovávání informace. Funkčně je CNS organizována v následujících dílčích podsystémech: somatický nervový systém (nervy kosterního svalstva, povrchového čití, smyslových orgánů), který odpovídá na podněty z okolního světa reakcemi směřujících opět vně. Reakce jsou zpravidla volní a probíhají vědomě. autonomní (vegetativní) nervový systém zajišťuje řízení funkcí vnitřních orgánů a stavu vnitřního prostředí. Periferní část tohoto systému se dělí (anatomicky i funkčně) na sympatický a parasympatický podsystém. Součástí CNS je i tzv. limbický 13 systém. Řídí vrozené i získané formy chování, je centrem instinktů, motivací, emocí (úzkost, zuřivost, zlost, radost, štěstí,...). Anatomicky se CNS skládá z mozku a páteřní míchy. Mozek obsahuje: mozkového kmene (prodloužená mícha, most a střední mozek) - řízení základních životních funkcí jako je krevní oběh, dýchání, apod.; mozečku (cerebellum) - centrum pro udržení svalového napětí, rovnováhy a koordinaci pohybů; mezimozku (diencephalon) - hluboká část mozku spojující střední mozek (mezencefalon) s mozkovými polokoulemi, je spojovací oblastí pro všechny aferentní senzorické vstupy - (hypotalamus, talamus, epitalamus); velkého, koncového mozku ( telencefalon) - skládá se z nervových jader (bílá hmota mozková - tvoří ji myelinová Obr.4.16 Pravá mozková hemisféra při pohledu z vnitřní strany vlákna neuronů) a mozkové kůry (šedá hmota mozková - cca 40% hmoty mozku - je sídlem vědomí, vnímání, paměti, myšlení, centra zahájení volních pohybů - u některých oblastí je přesně známa jejich funkce). Z míchy v páteřním kanálu vystupují míšní (spinální 14 ) nervy. Nerv je svazek nervových vláken vedoucích podněty do (dostředivé, aferentní 15 n.) nebo z (odstředivé, eferentní 16 n.) CNS. V příčném řezu páteřní míchou, která je nejnižším reflexním motorickým centrem, je patrná tmavší struktura šedé hmoty, tvořené zejména těly eferentních nervových buněk - tzv. motoneuronů vedoucích ke kosterním svalům (přední část míchy) a těly interneuronů, propojujících jednotlivé části NS (část zadních rohů šedé hmoty míšní). Těla aferentních vláken se nacházejí hlavně mimo páteřní míchu spinálními ganglii, částečně zadními míšními rohy. Bílá míšní hmota je tvořena axony obou typů nervových drah. 13 Limbický - lat. limbus - okraj, mez; leží na vnitřní straně mozkové hemisféry 14 Spinální - lat. spina - 1) trn, 2) páteř 15 Aferentní - lat. ad- - předpona s významem k, při; lat. ferre - nést, nosit 16 Eferentní - lat. e- - předpona s významem z-, od-, ven; 37

17 Ganglion - nervová uzlinka obsahující nervové buňky. Ganglia jsou v blízkosti páteře (sympatická ganglia) nebo v blízkosti vnitřních orgánů (parasympatická ganglia). [řec. ganglion - uzel]. Neuron Obr.4.17 Příčný řez páteřní míchou Neuron je nervová buňka, která se skládá ze tří základních částí - buněčného těla, axonu a dendritů. Podobně jako ostatní buňky je neuron obklopen plasmatickou membránou o tloušťce asi 50 až 150 Ă. Vstup do neuronu může být kdekoliv na jeho povrchu. Nejčastěji však jako vstupní brány slouží dendrity, více či méně členité výběžky z buněčného těla neuronu. Naopak, jako výstupní jednotky slouží speciální struktury zvané synapse, které mají mechanismy zajišťující předávání neuronem zpracované informace na další buňky. Zpravidla se na jednom neuronu vyskytuje 1000 až synapsí. Vlastní zpracovávání informace, které je pravděpodobně reprezentováno prahovaným kumulačním procesem, probíhá v buněčném těle a snad i v dendritech. Překročí-li součet (?) vstupních excitačních signálů určitou hranici, neuron se vybudí a informace o excitaci neuronu se šíří axonem až do terminální části neuronu, obsahující presynaptické a synaptické struktury. Obr.4.18 Části neuronu Synapse je místo kontaktu neuronu s okolními navazujícími buňkami (další neuron, svalové vlákno,...). U savců je přenos informace synapsí založen (až na výjimky) na chemických procesech (nikoliv elektricky!!). Elektrický signál v axonu uvolní z měchýřků (vesikul) na presynaptické membráně molekuly mediátoru (neurotransmiteru - acetycholin, noradrenalin, adrenalin, dopamin,...), které postupují (difúzí) rychlostí pouze 2 mm/s přes sy- Obr Schéma synapse naptickou štěrbinu (10-40 nm) k postsynaptické membráně navazující buňky, kde jsou opět vyvolány potenciálové změny. Podle charakteru mediátoru je činnost další buňky buď aktivována nebo tlumena. Rozměry různých typů nervových buněk se velice liší. Průměry těl neuronů u obratlovců se pohybují v intervalu od několika µm až do 30 µm. Délka dendritů je největší ve vnějších vrstvách mozkové kůry, maximálně do 2 mm, a délka axonů se mění od 50 µm do několika metrů u velkých savců. Maximální průměr axonů velkých motorických i smyslových nervových vláken je u obratlovců přibližně 20 až 25 µm. Minimální průměr, méně než 0,5 µm, mají smyslová ganglia. Nervová soustava olihní obsahuje kolem 20 velkých nervových vláken o průměru až 1 mm. Jejich dvě nejdelší vlákna mají více než 20 cm. 38

18 Velká nervová vlákna jsou normálně obklopena myelinovým obalem, tvořeným bílkovinnými a tukovými vrstvami. Myelinové izolační pouzdro je pravidelně ve vzdálenostech cca 1 mm přerušeno tzv. Ranvierovými zářezy. Tato místa se vyznačují sníženým elektrickým odporem, což zvyšuje rychlost šíření vzruchů podél axonů. Poruchy myelinového obalu způsobují některé nervové choroby, např. roztroušenou sklerózu. [Řec. myelos - původně morek kosti (nyní kostní dřeň) od slovesa myo zavírám, obsahuji v sobě; antičtí lékaři považovali za morek vše co bylo uzavřeno v kostech, tedy i mozek a míchu. Srvn. morek x mozek. Pozor!!! - předpona myo- ve vztahu ke svalu má původ v řec. mys, myos - myš.] Obr.4.20 Schématické znázornění myelinového obalu nervového vlákna s Ranvierovými zářezy Obr.4.22 Hoorwegova - Weissova křivka Elektrofyziologie nervového systému Dráždivost buněk Tkáně živých organismů se skládají z převážné části ze vzrušivých buněk - buněk, které jsou schopny svými projevy odpovědět na energii dráždícího podnětu (Luigi Galvani a Alessandro Volta ). V případě člověka jsou to především čtyři typy tkáně - receptory, těla nervových buněk a jejich axony a svalové buňky. Obr.4.21 Různé typy odezev buněk na dráždění Smyslové receptory generují jako odpověď na stimulaci spojitě proměnné receptorové napětí (potenciál), které se zpravidla přivádí na vstup neuronu. V těle nervových buněk se receptorové napětí převádí na sled rychlých, přibližně 0,1 V vysokých napěťových impulsů - akční potenciály - které se dále rozvádějí axony neuronů. Svalové buňky pak reagují na dráždění mechanickým stahem. Ve tkáních jsou udržovány životní funkce pomocí látkové výměny - metabolismu. V tělních tekutinách, nitrobuněčné i mezibuněčné, stejně jako ve všech vodných roztocích elektrolytů, dochází k disociaci, tj. oddělení kladných a záporných iontů (organické i anorganické látky se v tkáních vyskytují ve formě molekul a volných iontů - kladné kationty draslíku K +, sodíku Na + a vápníku Ca ++, záporné anionty Cl -, (OH) -, aj). Přitom buněčné membrány mají tu vlastnost, že různé ionty propouštějí různě a svoji propustnost vůči některým iontům mění za různých existenčních podmínek. Tato selektivní vlastnost buněčné membrány vytváří vně i uvnitř buňky prostředí s různými koncentracemi některých iontů. Vlivem neustále působících metabolických procesů, chemických koncentračních a elektrických sil dochází ke stabilizaci určitého rozložení iontů, způsobujícího rozdíly potenciálu v různých místech tkáně. Dráždivý stimulus, pokud překročí nezbytný práh, mění koncentrační poměry uvnitř i kolem buňky a ta se snaží svou reakci uvést všechny působící síly do rovnováhy. Měření dráždivosti spočívají na experimentálním stanovení podmínek, za nichž dojde či nedojde k podráždění. Nedojde-li k podráždění, pak dané podněty označujeme jako podprahové. Jestli k podráždění dojde, pak hovoříme o prahových či lépe nadprahových podnětech. O tom, zda je stimul podprahovým, prahový či nadprahový, rozhoduje jeho tvar, výška a doba trvání. U delších impulsů dosáhneme podráždění při menší výšce než u kratších a tyto poměry jsou různé pro různě varované impulsy. 39

19 Nejjednodušším a nejčastěji používaným průběhem dráždícího impulsu je pravoúhlý impuls. Závislost velikosti pravoúhlých prahových impulsů na jejich délce popisuje, tzv. Hoorwegova - Weisova křivka (obr. 4.22). Bylo navrženo několik způsobů matematického vyjádření tohoto průběhu. Nejznámější jsou: Weissův vzorec a I = + T I r, (4.1) aproximující křivku hyperbolickým průběhem. Nernstův vzorec a I =, (4.2) T který byl odvozen pro krátké impulsy. Zobecněním obou předcházejících vzorců je vztah a I = + I n r, n 0,5; 1, (4.3) T který obsahuje tři obecné konstanty. Kromě toho existuje ještě tzv. Lapicqueův vztah používající exponenciálního vyjádření uvedené závislosti Ir I =. (4.4) 1 exp( T / τ ) Tento vztah vychází z fyzikální představy nabíjení membrány proudovým obdélníkovým impulsem (τ = C m.r m je časová konstanta obvodového modelu membrány daného paralelní kombinací R m a C m ). Obr.4.23 Křivka dráždivosti při buzení pilovitým impulsem Ve všech výše uvedených vztazích vystupují obecné konstanty (a, n a reobáze I r ), jejichž číselné konstanty je třeba volit tak, aby výsledný průběh co nejlépe odpovídal hodnotám naměřeným na biologickém objektu. Aby nebylo třeba proměřovat celou křivku dráždivosti, byl hledán společný parametr, který by tyto konstanty v sobě zahrnoval a vyjadřoval tak vlastnosti tkáně z hlediska dráždivosti. Současně by neměl být závislý na podmínkách měření (velikost elektrod, vlastnosti vnějšího prostředí,...). Pro tento účel použil Lapicque chronaxii t ch. Pro její definici je důležitý pojem reobáze - proud I r (viz rov.(4.1), (4.3) a (4.4)), který odpovídá výšce velmi dlouhých prahových impulsů, k němuž křivka dráždivosti konverguje. Chronaxie pak je definována šířkou pravoúhlého prahového impulsu, jehož výška je rovna dvojnásobku reobáze. Dosadíme-li do Weissova vzorce (4.1) podmínku pro chronaxii, tj. 2I r = a/t ch + I r, dostaneme t ch = a I. (4.5) r Pro Nernstův vzorec (4.2), který platí jen pro krátké impulsy, nemá definice chronaxie smysl. Zato pro zobecněný vzorec (4.3) dostáváme chronaxii závislou na všech třech konstantách t ch a = I Konečně, z Lapicqueova vztahu (4.4) dostáváme pro chronaxii r 1/ n. (4.6) t ch = τ.ln 2. (4.7) 40

20 Vzrušivá tkáň v klidu Vzrušivá tkáň se nenachází ve stále stejném stavu - střídají se poměrně krátká doba vybuzení s relativně delší dobou klidu. V klidovém stavu jsou elektrické poměry v buňce definovány klidovým membránovým potenciálem. Klidový membránový potenciál bezprostřední příčinou existence klidového potenciálu je rozdíl mezi koncentracemi jednotlivých iontů v elektrolytech vně i uvnitř buněk; jak extracelulární, tak i intracelulární elektrolyty disociují (sloučeniny v elektrolytech se rozkládají na kladné a záporné ionty - NaCl Na + + Cl - ); buněčná membrána je rozdílně propustná pro jednotlivé ionty nerovnoměrná koncentrace jednotlivých iontů v extracelulární i intracelulární kapalině různé potenciály v různých místech tkáně membránový potenciál Pasivní transport Pasivní pohyb součástí elektrolytů je způsoben existencí fyzikálních gradientů (rozdíl koncentrací, elektrických potenciálů, hydrostatického tlaku, teploty,...). Pohyb částic gradient snižují. Difúze - způsobena koncentračním spádem je-li pohyb zcela volný, dochází k úplnému vyrovnání koncentrací, tj. zrušení gradientu; je-li v difúzním prostoru nějaká polopropustná membrána, pak určité nerovnoměrnosti v rozložení jednotlivých částic zůstávají, odpovídají vlastnostem membrány; k difúzi dochází i při neexistenci koncentračního spádu, difúze je však ve všech směrech stejná a výsledný efekt je nulový; rychlost difúze závisí na prostředí, difundující látce, na difúzní (výměnné) ploše a na difúzní (transportní) vzdálenosti; kvantitativně vyjadřuje tyto poměry Fickův difúzní zákon: dq DF =.. C, (4.8) dt L kde Q je množství difundující látky, D je difúzní (Fickův) koeficient, F výměnná plocha, C koncentrační rozdíl a L je difúzní vzdálenost. Při difúzi biologickými membránami je difúzní koeficient dán vztahem D = RTk.. 6π. η. r, [m2.s -1 ], (4.9) kde R je obecná plynová konstanta (R = 8,314 J.K -1 ), T je absolutní teplota, r poloměr difundujících molekul, η viskozita membrány a k je rozdělovací koeficient mezi olejem a vodou, tj. míra liposolubilnosti difundující membrány (zde ve fosfolipidech membrány). Označíme-li poměr D/l jako koeficient permeability P, můžeme definiční vztah Fickova zákona přepsat do tvaru dq = dt. F P. C, [mol.m -2.s -1 ]. (4.10) Osmóza - přenos molekul rozpouštědla (nejčastěji vody) přes polopropustnou membránu, např. buněčnou membránu (propouštějící pouze rozpouštědlo, nikoliv rozpouštěnou látku) ve směru gradientu osmotického tlaku (gradientu koncentrace rozpuštěné látky). Osmotický tlak roztoku je určen van t Hoffovým vztahem π = R.T.C.i, (4.11) kde R je opět obecná plynová konstanta a T absolutní teplota, C je látková koncentrace a i van t Hoffův opravný koeficient zohledňující osmotický účinek disociujících látek. Pro neelektrolyty je roven 1, pro silné elektrolyty, u nichž se předpokládá při dané koncentraci úplná disociace, je roven počtu vzniklých iontů (např. 2 pro KCl, 3 pro CaCl 2,...). Rychlost přenosu vody přes membránu se řídí vztahem 41