A. Stavba nervového systému A1. Neuron - synapse A2. Extraneuronální komponenty: 1) neuroglie 2) mozkomíšní mok 3) extracelulární prostor OBECNÁ NEUROFYZIOLOGIE B. Funkční projevy nervového systému B1. Reflex B2. Podnět B3. Podráţdění B4. Vzruch C. Periferní nerv D. Vztahy mezi neurony A. STAVBA A FUNKCE NERVOVÉHO SYSTÉMU A1. NEURON = Základní funkční a anatomická jednotka nervové soustavy - 1835 popis neuronu: J. E. Purkyně - Tělo (soma): neuroplazma (mitochondrie, ribozomy, hladké a granulární enazmat. retikulum), jádro, jadérko - Výběţky: 1. Dendrity - příjem vstupní informace, větví se, na povrchudendritické trny, fce - modulace postsynapt. potenciálu 2. axon (neurit) vede vzruch směrem od těla neuronu, jediná struktura vedoucí vzruch, transport látek z těla do distální části axonu telodendrií, iniciální segment axonu a axonový hrbolek vznik vzruchu v neuronu, myelinová pochva - rychlost přenosu Myelinová pochva - čím silněj, tím rychlej přenos vzruchu - přerušována Ranvierovými zářezy, délka mezi zářezy - internodia ál elům m a dal řen 1
SYNAPSE - 1897- Sherrington = český termín: zápoj (1947 - V. Laufberger), 1784- Prochaska spojky nervové = všechny funkční kontakty mezi membránou dvou buněk, z nichţ alespoň jedna je neuronálního původu. Prostřednictvím těchto kontaktů jsou zprostředkovány trofické vlivy a předevm přenos nervových vzruchů (synaptická transmise). 1. Elektrické synapse 2. Chemické synapse - přenos zprostředkován pomocí mediátoru (transmiteru), typický u člověka a vyšch obratlovců, komplexní, inhibice i excitace, trvání ms - min. 3. Smíšené synapse jak chemický tak i elektrický přenos vzruchu na jedné synapsi, hlavně u niţch obratlovců Počet synapsí n stálý zvýš či sníţ počtu synapsí závisí: a) na vývoji b) na aktivitě bb. = plasticita (paměť, VNČ) SYNAPSE Neuron vytváří cca 1000 synaptických spoj - příjem cca 10 000 (Purkyňovy bb. mozečku 100 000 vstupů) 1. ELEKTRICKÉ SYNAPSE přenos vzruchové aktivity mezi neurony - gap junction (2nm) a tight junction, u savců ojedinělý typ synapse, rychlé, stereotypní ved - AP v presynaptické části tvoří proud, který se pasivně přená do postsynaptického elementu Výskyt: - na gliových buňkách spoj astrocytů síť - zvýš komunikace u jedné buňky Schwannova b., lamely jsou navzájem spojeny gap junction metabolity a ionty - mezi neurony během vývoje, pak počet klesá, významné pro RFrůst, diferenciace Stavba: část presynaptická část postsynaptická synaptická štěrbina (20 40 nm) Přenos informace: neurotransmiter z presynaptické části (v místě aktivní zóny) exocytóza vazba na receptory postsynaptické membrány 2. CHEMICKÁ SYNAPSE 2 základní útvary: 1. Presynaptický útvar vakovité rozř axonu obsahující synaptické váčky Poté, co vzruch dosáhne presynapt. útvaru, zvyšuje se permeabilita presynapt. membrány pro Ca 2+, kalcium vtéká do buňky, váčky se hromadí u synaptické štěrbiny ( aktivní zóna synapse) a uvolňují exocytotickým mechanismem mediátor do synaptické štěrbiny 2. Postsynaptický útvar - receptory pro mediátor (receptory, které jsou součástí iontového kanálu nebo receptory spřaţené s G proteiny), po vazbě mediátoru na receptor dojde ke zvýš propustnosti pro ionty: a) Na + - vznik excitačního postsynaptického potenciálu (EPSP) depolarizace, podstata excitace na synapsi b) K + a Cl - - inhibiční postsynaptického potenciálu (IPSP)- hyperpolarizace, podstata útlumu na synapsi EPSP i IPSP vykazují časovou a prostorovou sumaci. Jediná depolarizační změna EPSP je hluboce podprahová (2-4 mv), tyto podprahové potenciály se mohou sčítat aţ do sštěcí úrovně (7,5-15 mv), kdy se vybaví na axonovém hrbolku vzruch. IPSP (2-5 mv) je podstatou synaptického útlumu. ál elům m a dal řen 2
Obecné schéma chemické transmise: 1. Syntéza mediátoru v presynaptickém útvaru 2. Skladování mediátoru v presynaptickém útvaru a jeho výdej do synaptické štěrbiny 3. Interakce s receptorem postsynaptické membrány 4. Odstranění mediátoru ze synaptické štěrbiny MEDIÁTORY (TRANSMITERY, PŘENAŠEČE) 1. Nízkomolekulární mediátory 2. Neuroaktivní peptidy Musí splňovat 4 kritéria: 1. Látka je syntetizována v neuronu 2. Látka je přítomna v presynaptickém onč a je uvolňována v mnoţství, které je dostatečné pro vyvolání jejího specifického účinku na postsynaptickém neuronu nebo efektoru 3. Pokud je látka podána exogenně v odpovídající koncentraci, napodobí přesně účinek endogenně uvolněného mediátoru 4. Existuje specifický mechanismus pro odstranění látky z místa jejího účinku (tj. ze synaptické štěrbiny) NEUROMODULÁTORY - Nezprostředkují bezprostředně přenos vzruchu, ale jejich uvolnění vede ke změně citlivosti postsynaptického útvaru k vlastnímu mediátoru - Endorfiny, enkefaliny, NO, CO NERVOSVALOVÁ PLOTÉNKA - do skupiny chemických synapsí - kontakt mezi motorickým nervovým vláknem (axonem) a vláknem svalovým - šir (50-70nm) synaptická štěrbina neţ v CNS, primární a sekundární synaptická štěrbina způsobená invaginacemi postsynaptické membrány svalového vlákna - mediátor - acetylcholin, receptor - nikotin ( Na + kanál) - vzhledem k velikosti ploténky, mnoţství aktivovaných receptorů a hustotě napěťově řízených Na + kanálů v okolí ploténky, můţe svalová buňka reagovat na kaţdý vzruch přicházející do nervového onč akčním potenciálem - místní depolarizace = ploténkový potenciál - při náhodném kontaktu váčku s presynaptickou membránou dochází k aktivaci malého počtu nikotinových receptorů a tím i depolarizaci men neţ 1mV = miniaturní ploténkový potenciál Typ Vzdálenost mezi Kontinuit Morfologický Způsob Synapt. synapse pre- a postsynapt. částí a mezi cytopl. podklad přenosu zpoždění Elektrická Chemická 3,5 nm 20 40 nm Ano Ne TYPY SYNAPSÍ Gap junction Tok iontů Vesikly, aktivní Mediátor zóny, postsynaptické receptory Téměř 0 0.3 ms 1 5 ms i déle Směr přenosu obousměrný jednosměrný Nervosvalová ploténka VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ MOZKU A2. EXTRANEURONÁLNÍ KOMPONENTY: 1. neuroglie (50% celulárního objemu V CNS) 2. mozkomíšní mok 3. extracelulární prostor (15-20% mozku bez likvoru) ál elům m a dal řen 3
1. NEUROGLIE (GLIOVÉ BUŇKY) - Podpůrná funkce, vyţivují nervové buňky, chrání nervové buňky, fagocytují poškozené neurony, odstraňuje neurotransmitery z ECT - v CNS: 1. Ependymové buňky fylogenet. i ontogenet. nejstar, výstelka dutin CNS, fce - pohyb likvoru, transcelulární transport 2. Astrocyty rozvětvené hvězdicovité buňky s výběţky, fce - podpůrná, výţiva, fce HEB 3. Oligodendroglie tvoří myelinové pochvy neuronů (1 buňka rotuje kolem 35 axonů) X v PNS - obdoba Schwannovy buňky 1 buňka rotuje kolem jednoho axonu 4. Mikroglie (Hortegovy glie) - nejmen v CNS, nejmen počet, pohyblivé a schopné fagocytózy- obranná a úklidová funkce za patologických stavů - v PNS: 1. Schwannovy buňky - metabolická funkce, fagocytóza 2. Satelitní buňky (amficyty) - metabolické procesy gangliových buněk Význam: astroglie - podpora, homeostáza neuronů (glukóza, ionty) oligodendroglie - myelin mikroglie specializované makrofágy ependym 2. MOZKOMÍŠNÍ MOK (CEREBROSPINÁLNÍ TEKUTINA, LIKVOR) - CNS obklopen 3 membránami mening: - Dura mater pod ní subdurální prostor malé mnoţ. tkáňové tekutiny - Arachnoidea- pod ní subarachnoidální prostor mozkomíšní mok - Pia mater Tvorba likvoru: 0,5 ml/min., tj. 720l/24 hod., celkový objem 120ml - většina v plexus chorioideus (předevm v postranních komorách a III. komoře), dále jde do IV. komory, cisterny na bázi mozku a do subarachnoidálního prostoru Absorpce likvoru - do venózního systému prostřednictvím arachnoidálních klků ve velkých venózních sinusech na konvexitě mozku Slož likvoru - čirá, bezbarvá tekutina, spec. hmotnost 1003-1008, počet buněk < 5 v 1 mm 3 (malé lymfocyty nebo monocyty), ph 7,33 je konstantní i při změnách ph plazmy Likvorový tlak - vleţe při lumbální punkci 0,7-1,4 kpa (70-140 mm H2O), vsedě jsou hodnoty 2x vyš Funkce likvoru - ochranná funkce - nadná mozek, rozkládá jeho váhu a tlumí a distribuuje sílu případného úderu do hlavy - vyrovnává změny objemu mozkové tkáně a změny náplně cév - trofická a distribuční role 3. EXTRACELULÁRNÍ PROSTOR CNS - 15-20% mozku bez likvoru -! stálé udrţ koncentrace jednotlivých sloţek extracelulární tekutiny (ECT) ionty K + (depolarizace nebo hyperpolarizace extrac. prostoru), 3-10 mmol/l, říz kaliové rovnováhy- neuroglie - nadbytek kalia je z ECT odstraňován 3 mechanismy: a) difúze b) tok kalia přes glii = PROSTOROVÉ PUFROVÁNÍ c) aktivní transport zpět do nervové buňky ál elům m a dal řen 4
HEMATOENCEFALICKÁ BARIÉRA (HEB) = transport látek z krve do mozku - do tkáně CNS - z krve do mozkomíšního moku (likvoru) - HEMATOLIKVOROVÁ BARIÉRA - z likvoru do tkáně CNS LIKVORENCEFALICKÁ BARIÉRA Morfologický podklad HEB tvoří struktura mozkových kapilár, které se značně odlišují od kapilár systémových. Významnou roli hraje organizace neuroglie. HEMATOENCEFALICKÁ BARIÉRA (HEB) 1. Přítomnost pravých tight junction v endotelu kapilár 2. Absence fenestrací ve stěně kapilár 3. Nízká aktivita transportních vezikulů v buňkách endotelu a pinocytózy 4. Velmi těsný kontakt mezi výběţky astrocytů Z uvedeného vyplývá: 1. Existence buněčné polarity a asymetrie ve funkci luminální a abluminální membrány (aktivněj transport ve směru mozek - krev) 2. Téměř vyloučený prostup vysokomolekulárních roztoků HEB 3. Význam transcelulární cesty pro nízkomolekulární roztoky LIKVORENCEFALICKÁ BARIÉRA (LEB) - úzké extracelulární prostory mezi jednotlivými buňkami v CNS a jejich výběţky Transportní mechanismy HEB 1. Prostá difúze a prostup iontovými kanály - lipoidní látky, malé neutrální molekuly (O 2, CO 2 a voda) 2. Aktivní transport- stereospecifický - jen D-glukóza a ne L-glukóza, laktát, AMK (L-tyrozin, L-glutamát, L-arginin), adenin, adenozin, na abluminální membráně: Na + -K + pumpa (Na + -K + ATPáza) 3. serotonin, acetylcholin, enkefaliny a dal peptidy- částečně blokovány nebo inaktivovány enzymy endotelových buněk HEMATOLIKVOROVÁ BARIÉRA (HLB) oblast plexus chorioideus 1. Kapiláry v plexus chorioideus jsou permeabilní gap junction (nízkomolekulární látky) mezi buňkami endotelu 2. Fenestrace ve stěně kapilár 3. V buňkách endotelu mikrovezikuly, pinocytóza 4. Epitel plexus chorioideus tight junction prostupněj neţ tight junction v mozkových kapilárách význam pro tvorbu likvoru REGIONÁLNÍ ODLIŠNOSTI V HEB Cirkumventrikulární orgány (plexus chorioideus, organum vasculosum, subfornikální orgán, laminae terminales, eminentia medialis, epifýza, neurohypofýza a area postrema) - fenestrace kapilár - gap junction endotelu kapilár - ependymové buňky - na povrchu řasinky, do ependymu zabudovány specializované buňky- tanycyty - dlouhé výběţky do okolí ál elům m a dal řen 5
B. FUNKČNÍ PROJEVY NERVOVÉHO SYSTÉMU B1. REFLEX = funkční jednotka nervové soustavy - odpověď organismu na dráţdění receptorů, zprostředkovaná CNS - reflexní oblouk - dráha reflexu: receptor - dostředivá (aferenetní) dráha centrum - odstředivá (eferentní) dráha efektor Klasifikace reflexů: podle počtu synapsí: monosynaptické X polysynaptické (interneurony) podle receptoru: exteroreceptivní X interoreceptivní X proprioreceptivní podle centra: - extracentrální: axonové X gangliové - centrální: míšní X mozkové podle efektoru: somatické X autonomní podle podmínek a pevnosti spoj: podmíněné X nepodmíněné Schéma reflexu B2. PODNĚT (STIMULUS) = kaţdá změna zevního nebo vnitřního prostředí, která působí na neuron kvalita podnětu: energie mechanická, elektrická, chemická.. adekvátní podnět kvantita podnětu: podnět vyvolá vzruch ze tehdy, pokud dosáhne určité intenzity= práh (prahový podnět) X podprahový podnět X nadprahový podnět - odpověď podle zákona vše nebo nic trvání podnětu: čím niţ intenzita podnětu, tím déle musí podnět působit - uţitečný čas rychlost změny intenzity: při pozvolném plynulém zvyšování intenzity podnětu nevede ani mnohonásobné překroč prahu k vybav vzruchu = vplíţ podnětu B3. PODRÁŢDĚNÍ Iontové kanály v neuronální membráně jsou dvojího druhu: a) napěťově řízené b) chemicky řízené (dendrity, soma neuronu) Kde převaţují tyto chemicky řízené iontové kanály, membrána je dráţditelná ze chemicky, reaguje na mediátor, neřídí se podle zákona vše nebo nic, na dráţdění odpovídá pomalou lokální změnou membránového potenciálu ( místní podráždění ), která trvá relativně dlouho (10ms i déle), nastupuje s del latencí a nemá refrakterní fázi Odpověď membrány: 1. depolarizace: zvýš permeability pro Na +, K +, Cl - ionty = excitační postsynaptický potenciál (EPSP) (excitace - vznik vzruchu) 2. hyperpolarizace: zvýš propustnosti pro K + a Cl - ionty = inhibiční postsynaptický potenciál (IPSP) (útlum) Chemicky řízené iontové kanály Napěťově řízené iontové kanály (Na + ) Ca 2+ ál elům m a dal řen 6
B4. VZRUCH (IMPULS) Kde převaţují napěťově řízené kanály, membrána je dráţditelná ze elektricky, reaguje s krátkou latencí a výraznou refrakterní fází, reaguje podle zákona vše nebo nic, tj. neuron reaguje vzruchem, nebo nikoliv. Pokud reaguje vzruchem, tak vţdy s maximální moţnou intenzitou. Napěťově řízené kanály - membrána axonu, membrána svalového vlákna s výjimkou nervosvalové ploténky. Fyziologicky - vzniká vzruchu na axonovém hrbolku, ř ze jedním směrem po axonu do periferie Klidový membránový potenciál (KMP) Rozdíl napětí mezi nitrem a povrchem buňky je na semipermeabilní membráně: -50 aţ -90 mv - výsledek nerovnoměrného rozloţ iontů uvnitř a vně membrány a specifické prostupnosti membrány pro jednotlivé ionty Out + In - K + K + Na + Na + A- Cl - - - Goldmannova rovnice konstantního pole Rozloţ iontů uvnitř a vně membrány Po dosaţ sštěcí úrovně náhle roste permeabilita pro Na +, napěťově řízené kanály pro Na + se otevírají, Na + vtéká do buňky depolarizace aţ transpolarizace K otevírání napěťově řízených K + kanálů dochází opoţděně, K + vystupuje z buňky repolarizace Na + -K + pumpa obnov původního rozloţ iontů na membráně (3Na + ven, 2K + do buňky) Rovnovážný membránový potenciál (RMP) - (E K ) = síla pohánějící difúzi K + ven (chemický gradient) právě tak veliká, síla potenciálu působící v opačném směru (elektrický potenciál), tzn., ţe elektrochemický potenciál pro K + je roven nule. - Nernstova rovnice Akční potenciál (AP) = řící se vlna depolarizace - V průběhu průchodu vzruchu se KMP mění, dochází k depolarizaci (změna polarizace membrány), pokud dosáhne sštěcí úrovně, depolarizace pokračuje aţ k transpolarizaci (překmitnutí do kladných hodnot), pak se membránový potenciál (E M ) rychle navrací ke klidové úrovni repolarizace, mírná hyperpolarizace, pak návrat do KMP = Spike (hrotový potenciál) = rychlá depolarizace a repolarizace Napěťově řízené Na + kanály ál elům m a dal řen 7
Napěťově řízené Na + kanály ál elům m a dal řen 8
Změny dráţdivosti vyvolané vzruchem Absolutní refrakterní fáze období hrotového potenciálu, jakkoliv intenzivní stimulace neuronu nevede ke vzniku AP - Na + kanály buď otevřené nebo v inaktivovaném stavu Relativní refrakterní fáze od konce hrotového potenciálu, AP potenciál lze vyvolat intenzivnějm podnětem neţ normálně (supranormální) - část napěťově řízených Na + kanálů je v inaktivovaném stavu, napěťově řízené K + kanály jsou otevřené, coţ omezuje moţnost depolarziace membrány Myelinizovaná vlákna: - saltatorní ved vzruchu, přeskakování v Ranvierově zářezu (nodiu) - rychlé ved vzruchu Rychlost vzruchu ovlivňuje průměr nervového vlákna, čím silněj, tím rychleji vede vzruch. Ved vzruchu Nemyelinizovaná vlákna: - místní elektrické proudy (proudové smyčky) - vzruch se ří ze jedním směrem, vzruch se ří bez dekrementu a relativně pomalu C. PERIFERNÍ NERV - funkční jednotkou periferního nervu je periferní nervové vlákno - ve spinálním nervu tato vlákna jsou: 1. eferentní neurity buněk předních rohů míšních 2. aferentní dendrity pseudounipolárních buněk spinálních ganglií - myelinizovaná X nemyelinizovaná Typy nervových vláken (A, B, C) Classification of nerve fibres Fibre type Function Axon diameter m Conduction / Myelin + - velocity, m per s A (I) motor - fibres 9-18/+ 70-120 spindle afferents (Ia) tendon organs (Ib) A (II) touch and pressure 5-12/+ 30-75 A (II) motor to muscle spindles A (III) pain, pressure, temperature 3-6/+ 18-36 ál elům m a dal řen 1-5/- 4-30 B (III) preganglionic 3/- 3-12 C (IV) pain, touch, heat 1/- 1-2 9
D. VZTAHY MEZI NEURONY 1. Divergence - axony neuronů se větví a rozbíhají = divergují na značný počet neuronů 4. Facilitace - zaloţena na principu prostorové sumace - vzruchy z jedné skupiny aferentních vláken působí na neuron ze podprahově, ale společně usnadňují vybav vzruchu 2. Konvergence - sbíhání centrifugálních výběţků neuronů na společné buňce 3. Sumace - prostorová - časová 5. Okluze - kombinace forem sumace - součet efektů na postsynaptickém vláknu je při současném dráţdění více aferentních vláken men neţ přiváděný jednotlivými presynaptickými vlákny 6. Inhibice - postsynaptická IPSP (hyperpolarizace), Cl -, K + - presynaptická 7. Únava = sniţování dráţdivosti synapse v průběhu opakované stimulace 8. Posttetanická potenciace = zvýš excitability nervové tkáně (systému), k němuţ dochází po po předchozí opakované a dlouhotrvající stimulaci - dlouhodobá potenciace - adekvátní stimulace (nízká frekvence po relativně dlouhou dobu, či krátká stimulace o vysoké frekvenci) - kindling (rozněcování, zaţehování) rytmická stimulace adekvátních parametrů opakovaná v pravidelných intervalech - základní mechanismus formování paměťové stopy ál elům m a dal řen 10