OBECNÁ NEUROFYZIOLOGIE A. Stavba nervového systému A1. Neuron - synapse A2. Extraneuronální komponenty: 1) neuroglie 2) mozkomíšní mok 3) extracelulární prostor B. Funkční projevy nervového systému B1. Reflex B2. Podnět B3. Podráždění B4. Vzruch C. Periferní nerv D. Vztahy mezi neurony 1
A. STAVBA A FUNKCE NERVOVÉHO SYSTÉMU A1. NEURON = Základní funkční a anatomická jednotka nervové soustavy - 1835 popis p neuronu: J. E. Purkyně - Tělo (soma): neuroplazma (mitochondrie, ribozomy, hladké a granulární enazmat. retikulum), jádro, jadérko - Výběžky: 1. Dendrity -příjem vstupní informace, větví se, na povrchudendritické trny, fce - modulace postsynapt. potenciálu 2. axon (neurit) vede vzruch směrem ě od dtěla 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 silnější, tím rychlejší přenos vzruchu -přerušována Ranvierovými zářezy, délka mezi zářezy - internodia 2
3
SYNAPSE - 1897- Sherrington = český termín: zápoj (1947 - V. Laufberger), 1784- Prochaska jako spojky nervové = všechny funkční kontakty mezi membránou dvou buněk, z nichž alespoň jedna je neuronálního původu. Prostřednictvím těchto kontaktů jsou zprostředkovány trofické vlivy a především přenos nervových vzruchů (synaptická transmise). 1. Elektrické synapse 2. Chemické synapse -přenos zprostředkován pomocí mediátoru (transmiteru), typický u člověka a vyšších obratlovců, komplexní, inhibice i excitace, trvání ms - min. 3. Smíšené synapse jak chemický tak i elektrický přenos vzruchu na jedné synapsi, hlavně u nižších obratlovců Počet synapsí n stálý zvýš či sníž 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 y bb. mozečku 100 000 vstupů) 4
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 přenáší 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 2. CHEMICKÁ SYNAPSE 2 základní útvary: 1. Presynaptický útvar vakovité rozšíř 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 spřažené s G proteiny), po vazbě mediátoru na receptor dojde ke zvýš propustnosti pro ionty: a) )N Na + -vznik excitačního č postsynaptického ti potenciálu (EPSP) depolarizace, podstata excitace na synapsi b) K + a Cl - - inhibiční postsynaptického potenciálu (IPSP)- hyperpolarizace, podstata útlumu na synapsi 5
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 EPSP i IPSP vykazují časovou a prostorovou sumaci. Jediná depolarizační změna EPSP je hluboce podprahová (2-4 mv), tyto podprahové potenciály se mohou sčítat až do spouštěcí úrovně (7,5-15 mv), kdy se vybaví na axonovém hrbolku vzruch. IPSP (2-5 mv) je podstatou synaptického útlumu. 6
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 zakonč a je uvolňována v množství, 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 7
NERVOSVALOVÁ PLOTÉNKA - do skupiny chemických synapsí - kontakt mezi motorickým nervovým vláknem (axonem) a vláknem svalovým -širší(50-70nm) synaptická štěrbina než v CNS, primární a sekundární synaptická štěrbina způsobená invaginacemi postsynaptické membrány svalového vlákna - mediátor - acetylcholin, receptor - nikotin ( Na + kanál) - vzhledem k velikosti ploténky, množství aktivovaných receptorů a hustotě napěťově řízených Na + kanálů v okolí ploténky, může svalová buňka reagovat na každý vzruch přicházející do nervového zakonč akčním potenciálem - místní depolarizace = ploténkový potenciál -při náhodném kontaktu váčku s presynaptickou membránou dochází k aktivaci malého počtu nikotinových receptorů a tím i depolarizaci menší než 1mV = miniaturní ploténkový potenciál Nervosvalová ploténka 8
TYPY SYNAPSÍ Typ Vzdálenost mezi Kontinuit Morfologický Způsob Synapt. Směr synapse pre- a a mezi podklad přenosu zpoždění přenosu postsynapt. cytopl. částí Elektrická 3,5 nm Ano Gap junction Tok iontů Téměř 0 obousměrný Chemická 20 40 nm Ne VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ MOZKU Vesikly, aktivní zóny, postsynaptické receptory A2. EXTRANEURONÁLNÍ KOMPONENTY: Mediátor 1. neuroglie (50% celulárního objemu V CNS) 2. mozkomíšní mok 3. extracelulární prostor (15-20% mozku bez likvoru) 0.3 ms 1 5 ms i déle jednosměrný 9
1. NEUROGLIE (GLIOVÉ BUŇKY) - Podpůrná funkce, vyživují nervové buňky, chrání nervové buňky, fagocytují poškozené neurony, odstraňuje neurotransmitery z ECT - v CNS: 1. Ependymové buňky fylogenet. i ontogenet. nejstarší, výstelka dutin CNS, fce - pohyb likvoru, transcelulární transport 2. Astrocyty rozvětvené hvězdicovité buňky s výběžky, fce - podpůrná, výživa, 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) -nejmenší v CNS, nejmenší 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 10
2. MOZKOMÍŠNÍ MOK (CEREBROSPINÁLNÍ TEKUTINA, LIKVOR) - CNS obklopen 3 membránami mening: - Dura mater pod ní subdurální prostor malé množ. 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 (především 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 11
Likvorový tlak -vleže při lumbální punkci 0,7-1,4 kpa (70-140 mm H2O), vsedě jsou hodnoty 2x vyšší Funkce likvoru - ochranná funkce - nadnáší mozek, rozkládá jeho váhu a tlumí a distribuuje ib 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 udrž koncentrace jednotlivých složek 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 12
HEMATOENCEFALICKÁ BARIÉRA (HEB) = transport látek z krve do mozku - do tkáně CNS - z krve do mozkomíšního moku (likvoru) - HEMATOLIKVOROVÁ BARIÉRA -z likvoru do tkáně ě CNS LIKVORENCEFALICKÁ BARIÉRA Morfologický podklad HEB tvoří struktura mozkových kapilár, které se značně odlišují od kapilár systémových. Významnou roli hraje organizace neuroglie. 13
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 y 4. Velmi těsný kontakt mezi výběžky astrocytů Z uvedeného vyplývá: 1. Existence buněčné polarity a asymetrie ve funkci luminální a abluminální membrány (aktivnější transport ve směru mozek - krev) 2. Téměř vyloučený prostup vysokomolekulárních roztoků HEB 3. Význam transcelulární cesty pro nízkomolekulární roztoky 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. Vbuňkách endotelu mikrovezikuly, pinocytóza 4. Epitel plexus chorioideus tight junction prostupnější než tight junction v mozkových kapilárách význam pro tvorbu likvoru 14
LIKVORENCEFALICKÁ BARIÉRA (LEB) - úzké extracelulární prostory mezi jednotlivými buňkami v CNS a jejich výběžky 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 další peptidy- částečně blokovány nebo inaktivovány enzymy endotelových buněk 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 výběžky do okolí 15
B. FUNKČNÍ PROJEVY NERVOVÉHO SYSTÉMU B1. REFLEX = funkční jednotka nervové soustavy - odpověď organismu na dráždění 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: t axonové X gangliové - centrální: míšní X mozkové podle efektoru: somatické X autonomní podle podmínek a pevnosti spoj: podmíněné X nepodmíněné Schéma reflexu 16
B2. PODNĚT (STIMULUS) = každá změna zevního nebo vnitřního prostředí, která působí na neuron kvalita podnětu: energie mechanická, elektrická, chemická.. adekvátní podnět kvantita podnětu: podnět vyvolá vzruch pouze tehdy, pokud dosáhne určité intenzity= práh (prahový podnět) X podprahový podnět X nadprahový podnět - odpověď podle zákona vše nebo nic trvání podnětu: čím nižší intenzita podnětu, tím déle musí podnět působit - užitečný čas rychlost změny intenzity: při pozvolném plynulém zvyšování intenzity podnětu nevede ani mnohonásobné překroč prahu k vybav vzruchu = vplíž podnětu B3. PODRÁŽDĚNÍ Iontové kanály v neuronální membráně jsou dvojího druhu: a) napěťově řízené b) chemicky řízené (dendrity, soma neuronu) Kde převažují ř tyto t chemicky řízené é iontové kanály, membrána bá je drážditelná pouze chemicky, reaguje na mediátor, neřídí se podle zákona vše nebo nic, na dráždění odpovídá pomalou lokální změnou membránového potenciálu ( místní podráždění ), která trvá relativně dlouho (10ms i déle), nastupuje s delší latencí a nemá refrakterní fázi Odpověď membrány: 1. depolarizace: a ace zvýš permeability eab 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) 17
Chemicky řízené iontové kanály Napěťově řízené iontové kanály (Na + ) Ca 2+ 18
B4. VZRUCH (IMPULS) Kde převažují napěťově řízené kanály, membrána je drážditelná pouze 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 vždy s maximální možnou intenzitou. Napěťově řízené kanály - membrána axonu, membrána svalového vlákna s výjimkou nervosvalové ploténky. Fyziologicky - vzniká vzruchu na axonovém hrbolku, šíř pouze jedním směrem po axonu do periferie Klidový membránový potenciál (KMP) Rozdíl napětí mezi nitrem a povrchem buňky je na semipermeabilní membráně: -50 až -90 mv - výsledek nerovnoměrného rozlož iontů uvnitř a vně membrány a specifické prostupnosti membrány pro jednotlivé ionty Out + In - K + Na + K + Na + A- Cl - - - Goldmannova rovnice konstantního pole 19
Rozlož iontů uvnitř a vně membrány Rovnovážný membránový potenciál (RMP) -(E K ) = síla pohánějící difúzi K + ven (chemický gradient) právě tak veliká, jako síla potenciálu působící v opačném směru (elektrický potenciál), tzn., že elektrochemický potenciál pro K + je roven nule. - Nernstova rovnice Akční potenciál (AP) = šířící se vlna depolarizace -V průběhu průchodu vzruchu se KMP mění, dochází k depolarizaci (změna polarizace membrány), pokud dosáhne spouštěcí úrovně, depolarizace pokračuje až 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 20
Po dosaž spouštěcí úrovně náhle roste permeabilita pro Na +, napěťově řízené kanály pro Na + se otevírají, Na + vtéká do buňky depolarizace až transpolarizace K otevírání napěťově řízených K + kanálů dochází opožděně, K + vystupuje z buňky repolarizace Na + -K + pumpa obnov původního rozlož iontů na membráně (3Na + ven, 2K + do buňky) Napěťově řízené Na + kanály 21
Napěťově řízené Na + kanály 22
23
24
Změny dráždivosti vyvolané vzruchem Absolutní refrakterní fáze období hrotového potenciálu, jakkoliv intenzivní stimulace neuronu nevede ke vzniku AP - Na + kanály buď ď otevřené ř nebo v inaktivovaném stavu Relativní refrakterní fáze od konce hrotového potenciálu, AP potenciál lze vyvolat intenzivnějším podnětem než normálně (supranormální) - část napěťově řízených Na + kanálů je v inaktivovaném stavu, napěťově řízené K + kanály jsou otevřené, což omezuje možnost depolarziace membrány 25
Ved vzruchu Nemyelinizovaná vlákna: - místní elektrické proudy (proudové smyčky) - vzruch se šíří pouze jedním směrem, vzruch se šíří bez dekrementu a relativně pomalu 26
Myelinizovaná vlákna: - saltatorní ved vzruchu, přeskakování v Ranvierově zářezu (nodiu) - rychlé ved vzruchu Rychlost vzruchu ovlivňuje průměr nervového vlákna, čím silnější, tím rychleji vede vzruch. 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 μ m Conduction / Myelin + - velocity, m per s Aα (I) motor α - fibres 9-18/+ 70-120 spindle afferents (Ia) tendon organs (Ib) Aβ (II) touch and pressure 5-12/+ 30-75 Aγ (II) motor to muscle 3-6/+ 18-36 spindles Aδ (III) pain, pressure, 1-5/- 4-30 temperature B (III) preganglionic 3/- 3-12 C (IV) pain, touch, heat 1/- 1-2 27
D. VZTAHY MEZI NEURONY 1. Divergence - axony neuronů se větví a rozbíhají = divergují na značný počet neuronů 2. Konvergence - sbíhání centrifugálních výběžků neuronů na společné buňce 3. Sumace -prostorová - časová 4. Facilitace - založena na principu prostorové sumace - vzruchy z jedné skupiny aferentních vláken působí na neuron pouze podprahově, ale společně usnadňují vybav vzruchu 5. Okluze - kombinace forem sumace -součet efektů na postsynaptickém vláknu je při současném dráždění více aferentních vláken menší než přiváděný jednotlivými presynaptickými vlákny 6. Inhibice - postsynaptická IPSP (hyperpolarizace), Cl -, K + - presynaptická 28
7. Únava = snižování dráždivosti synapse v průběhu opakované stimulace 8. Posttetanická potenciace = zvýš excitability nervové tkáně (systému), k němuž 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, zažehování) rytmická stimulace adekvátních parametrů opakovaná v pravidelných intervalech - základní mechanismus formování paměťové stopy 29