Obecná neurofyziologie Centrální nervový systém - vedle endokrinního a imunitního systému je hlavním regulačním systémem organizmu, - ve svém účinku je endokrinnímu a imunitnímu systému nadřazen, - jeho regulační děje jsou rychlejší než regulace humorální a imunitní. Mezi neurony (základní strukturální a funkční jednotka nervového systému) existují různé typy kontaktů, ale důležité je, že neuron se pouze dotýká jeden neuron nepřechází v druhý podstata tzv. neuronové teorie (Ramon y Cajal). Člověk má 15 25 miliard neuronů a 300 miliard kontaktních ploch synapsí. Neurogeneze (tvorba nervových buněk) probíhá u altriciálních (nezrale se rodících) živočichů i po narození, na rozdíl od živočichů prekociálních (zrale se rodících). Nervová soustava je tvořena 2 základními druhy buněk: 1. neurony strukturální a funkční jednotka, 2. neuroglií má převážně podpůrnou a metabolickou funkci. Funkční rozdělení neuronu Strukturální rozdělení: - tělo, - výběžky těla dendrity a neurity. Funkční rozdělení na úseky: - receptivní segment (dendrit) přivádí informace do těla (soma) neuronu, které je pro neuron současně i trofickým segmentem, - iniciální segment je místem vzniku akčního potenciálu, - vodivý segment (neurit-axon) vede informaci (vzruch) na další neuron, - transmisivní segment (synapse) předává informace na velké množství dalších neuronů, a to na jeho receptivní, buněčné, axonální segmenty. Tělo neuronu - tvoří ho membrána podobná jiným buněčným membránám, obsahující receprotry a iontové kanály, - jádro obsahuje deoxyribonukleovou kyselinu (DNA), - jadérko obsahuje ribonukleovou kyselinu (RNA), - v cytoplazmě neuronu jsou: : endoplazmatické retikulum, : Nisslova substance a ribozomy uplatňující se při tvorbě bílkovin, : mitochondrie zajišťující buněčný metabolizmus, : neurotubuly a naurofilamenta spojené s axoplazmatickým transportem. Dendrity jsou většinou krátké, bohatě větvené, rozšířené do dendritických trnů. Neurit (axon) - dlouhý výběžek obsahující ribozomy, malé množství mitochondrií a neurotubuly, - transport látek axonem je různě rychlý a závisí na druhu transportované látky : anterográdní transport obvyklý transport látek z buněčného těla,
: retrográdní transport méně častý do buněčného těla (šíření virů a toxinů), - iniciální část axonu je holá, další úsek kryje pouze Schwannova pochva (šedá vlákna) nebo také pochva myelinová (bílá vlákna) Vzruch - vzniká při působení podnětu na vzrušivou tkáň (receptor, nervová buňka, nervové vlákno). Podnět = energie, změna zevního nebo vnitřního prostředí, která působením na vzrušivou tkáň vybavuje vzruch. Podráždění = obecný projev dráždivosti, jenž je nezbytným předpokladem pro vznik vzruchu. Podráždění je místní, většinou se nešíří, a když, tak se ztrátou (s dekrementem) účinku. Vzruch představuje speciální formu podráždění, která se šíří po nervovém vláknu podle zákona vše nebo nic, a to bez dekrementu. Podmínky účinnosti podnětu Na podněty zevního nebo vnitřního prostředí odpovídají receptory. Podněty, které působí na senzorické receptory dělíme podle: - modality (specificity), - kvality, - kvantity 1. Modalita působení podnětu závisí na tom, který receptor daný podnět vnímá, - exteroreceptory přijímají podněty ze zevního prostředí organizmu, - interoreceptory přijímají podněty z vnitřního prostředí organizmu. Rozdělení exteroreceptorů: - telereceptory (dálkové) zrak, vestibulární aparát, sluch, - mechanoreceptory působí na ně přímý kontakt s podnětem (kožní sometostatické receptory), - chemoreceptory čich a chuť. Mezi ineteroreceptory patří: - chemoreceptory, - osmoreceptory, - baroreceptory, - proprioreceptory. 2. Kvalita působení podnětu na stejné receptory působí různé kvality podnětu. Např. u somestézie: lechtání, šimrání, škrábání, teplo, chlad. 3. Kvantita působení podnětu je určena intenzitou. Např. tóny různé výšky, intenzita tlakových podnětů, koncentrace látek ve vnitřním prostředí. Účinnost podnětu spočívá v tom, že jej receptory zachytí a organizmus na něj reaguje. Proto musí být podnět dostatečně silný, musí působit po určitou dobu a musí nastat dostatečně rychle.
1. Podnět musí být dostatečně silný: : prahová intenzita nejmenší intenzita podnětu, která vyvolá reakci, : prahová a nadprahová intenzita vyvolává odpověď, : podprahová podněty odpověď nevyvolávají. 2. Podnět musí mít minimální trvání: - čím je podnět slabší, tím delší musí mít trvání a naopak. 3. Rozdíl mezi výchozím a novým stavem musí nastat dostatečně rychle: : když probíhá změna prostředí pomalu, podnět není účinný a reakci nevyvolá, nastává vplížení podnětu, : o účinnosti podnětu rozhoduje rychlost změny (pravidlo Du Bois-Reymondovo) Chronaxie - určuje vztah mezi intenzitou a trváním podnětu, - umožňuje měřit dráždivost vzrušivých struktur (nervů, svalů, senzorických orgánů). Prahová intenzita podnětu, která vyvolá odpověď, působí po dobu tzv. určitého času (t), se označuje jako reobáze (R). Podnět o dvojnásobku reobáze (2R) potřebuje k vyvolání odpovědi kratší čas a označuje se jako chronaxie. Závislost intenzity na trvání podnětu znázorňuje Hoorwegova-Weissova křivka (podprahové podněty vlevo od ní, nadprahové podněty vpravo). Měření chronaxie Nejprve se stanoví reobáze, ta se zdvojnásobí, a tak se zjistí chronaxie. Určení chronaxie je běžným klinickým vyšetřením. Projevy vzruchu - elektrické, - chemické. Elektrické projevy Stejně jako v jiných tkáních i v nervové tkáni existuje v klidu potenciální rozdíl mezi jejím vnitřkem a povrchem. Vnitřek negativní, Povrch pozitivní, - potenciálový rozdíl (- 60 až 90 mv) se označuje jako klidový potenciál. Při působení podnětu vzniká vzruch, který se projeví změnou polarity (vnitřek pozitivní a povrch negativní) = depolarizace a její max. úroveň přesahuje až do kladných hodnot (+ 30 až + 40 mv). Akční potenciál, který takto vzniká, má hodnotu 110 120 mv a trvá 1-3 ms. Chemické projevy Klidový potenciál vzniká nerovnoměrným rozložením iontů K +, Na + a Cl - na obou stranách membrány. V klidu je membrána prostupná mírně pro K + a Cl - na obou
stranách membrány a neprostupná pro Na +. Koncentrace K + uvnitř je mnohonásobně (30x) vyšší než zevně a naopak koncentrace Na + a Cl - je zevně mnohonásobně vyšší. Rozdíl koncentrací vysvětluje klidový potenciál. Polarizace nervového vlákna je po proběhnutí vzruchu ještě krátkou dobu snížena následná depolarizace. Potenciálová změna probíhá dále, ale pomaleji a polarizace převýší původní úroveň negativního potenciálu následná hyperpolarizace. Tyto změny souvisejí se změnami dráždivosti. Dráždivost během vzruchu Období latence = období od začátku podnětu do dosažení depolarizace, kdy vzniká vzruch. Absolutní refrakterní fáze = při průchodu vzruchu je nerv nedráždivý, Relativní refrakterní fáze = období, kdy je dráždivost snížena, v období následné depolarizace je vystřídána supernormální fází, kdy je dráždivost zvýšena. V období následné hyperpolarizace subnormální fáze je dráždivost opět snížena. Vedení vzruchu Místem vzniku akčního potenciálu je iniciální segment axonu. Dále se vzruch šíří podle zákona vše nebo nic, a to znamená, že místní podráždění dosáhne hodnoty vzruchové aktivity, následně maximální hodnoty depolarizace a šíří se po nervovém vláknu bez dekrementu tak, že mezi aktivní oblastí, kde vzruch vznikl, a mezi neaktivním úsekem před vzruchovou vlnou vznikají elektrické proudy spojené s otevíráním Na + kanálů, což mění propustnost membrán pouze před postupující vlnou. Takto se vede vzruch po nemyelinizovaných vláknech. Po myelinizovaných vláknech se vzruch šíří skokem saltatorně, protože myelinová pochva působí jako izolátor a výměna iontů nastává pouze v obnažených úsecích na Ranvierových zářezech. Rychlost šíření vzruchu závisí na síle nervových vláken. Čím je vlákno silnější, tím vedu vzruch rychleji. Fyziologicky se vzruch šíří od těla neuronu po vodivém k transmisivnímu segmentu ortodromní vedení. Šíření opačným směrem, většinou patologické, se nazývá antidromní vedení. Jednosměrnost vedení zajišťuje synapse. Spojení mezi neurony synapse - zajišťuje kontakt mezi neurony, - spojení se uskutečňuje mezi dvěma neurony, z nichž jeden vytváří presynaptickou a druhý postsynaptickou část synapse; mezi nimi je synaptická štěrbina.
Rozšířená presynaptická část axonu obsahuje u chemických synapsí synaptické váčky ( vezikuly), v nichž se soustřeďuje neurotransmiter (přenašeč). Presynaptická membrána část buněčné membrány, která je ztluštělá (zvýšená denzita) a prochází jí transmiter. Subsynaptická membrána část buněčné membrány kontaktního neuronu s větší denzitou. Typy synapsí 1. Jednoduché chemické: a) axo-dendritické kontakt axonu a dendritu (nejčastější), b) axo-axonální kontakt axonů dvou neuronů, c) axo-somatické spojení axonu a těla neuronu. 2. Jednoduché elektrické: - mají velice těsné membránové spojení, označované jako nexy, - přenos podráždění se uskutečňuje konexony, které převádějí informace z jednoho neuronu na druhý prostřednictvím iontů. Neuronové receptory a iontové kanály Neuron má na povrchu receptory a iontové kanály. Neuronové receptory - útvary bílkovinné povahy, - skládají se z několika podjednotek, které procházejí lipoproteinovou částí buněčné membrány a vyčnívají z ní na obě strany na zevní straně (obvykle aminová skupina NH 2 ) a dovnitř (karboxylová skupina COOH). Toto uspořádání umožňuje transmiterům vazbu na jejich aktivní místo. Iontové kanály - otvory (póry) v membráně neuronu, které se otevírají dvěma způsoby: : 1. přímo působením iontů (nepaměťové), : 2. nepřímo působením transmiterů na receptory v membráně neuronu: tato vazba umožní otevření iontového kanálu. Podle místa účinku rozeznáváme na neuronech 2 typy receptorů: 1. Ionotropní receptory navázáním transmiteru (ligandu) otevřou iontový kanál přímo. 2. Metabotropní receptory - navázáním ligandu aktivují řetězec metabolických dějů, a ten umožní otevření iontového kanálu. Mezi ionotropní receptory řadíme: 1. acetylcholin-nikotinové a některé glutamátové receptory, které působí na iontové kanály prostupné pro Na + a Ca 2+, 2. receptory GABA A (γ-aminomáselnou kyselinou) a glycin, které působí na kanály prostupné pro Cl -.
K metabotropním patří receptory: 1. acetylcholin-muskarinové, 2. katecholaminergní, 3. některé glutamátové, 4. GABA B. Aktivace metabotropních receptorů - začíná aktivací některého proteinu ze skupiny G (proteiny vázaně s guanozintrifosfátem GTP), který aktivuje primární enzym; Primární enzym produkuje druhého posla, který přenáší signál na další enzym, nebo přímo na regulační protein. Mezi nejúčinnější molekuly při metabolickém přenosu z G-proteinů patří enzym adenylátcykláza. Elektrické projevy synaptického přenosu 1. Na chemických synapsích Excitační postsynaptický potenciál (EPSP) - označení pro vzniklou potenciálovou změnu, - vzniká na větším počtu synaptických spojení a jejich sumací (prostorová sumace) vzruchová úroveň stoupá, až vybaví akční potenciál. Vzruchová úroveň stoupá také sumací vzruchové aktivity v čase časová sumace. Změny, které vznikají při obou druzích sumace = facilitace. Synaptické zpoždění zpoždění vznikající příchodem vzruchu k presynaptické části synapse, uvolněním transmiteru z váčků a ději na postsynaptické membráně. Kromě excitačních synapsí, jejichž projevem je EPSP, nacházíme v CNS i inhibiční synapse, jejichž elektrickým projevem je hyperpolarizace a vznik inhibičního postsynaptickéhoo potenciálu (IPSP) je zprostředkován hlavně interneurony při reciproční inervaci a na Renshawových buňkách (RB) v míše. 2. Na elektrických synapsích Vzruch se na el. synapsích přenáší tak, že v postsynaptickém neuronu vzniká EPSP elektrickým můstkem s nízkým odporem, a přenos je proto rychlejší. Další příčinou rychlého přenosu je odpadnutí výlevu transmiteru z váčků. Změny synaptického přenosu Účinek neurotransmiterů na synapsích může být změněn: 1. Neuromodulátory látky, které mohou mít pozitivní (zvyšují), nebo negativní (snižují vliv na tvorbu nebo uvolnění transmiteru. Jako neuromodulátory působí lokální hormony (VIP, somatostatin), z exogenních látek, např. psychorarmaka.
2. Agonisty a antagonisty. Na receptor se kromě specifického transmiteru vážou i jiné látky (ligandy), které se vyznačují afinitou k receptoru. a) agonisté mají stejný účinek jako specifický transmiter, b) antagonisté blokují působení specifického transmiteru tím, že se vážoou na jeho místo. 3. Inverzní antagonisté jejich působení se projevuje opačným účinkem než působení agonistů. 4. alosterickou modulací buď potlačuje vazbu, nebo schopnost receptoru vázat ligand. Funkční vlastnosti synapsí Děje na synapsích jsou charakterizovány: - jednosměrností vedení vzruchu, - synaptickým zdržením, - sumací a facilitací dějů, - excitací nebo inhibicí, - únavou. Funkce neuroglie a extracelulárního prostoru Neuroglie - je intersticiální složkou nervového systému, - zabezpečuje metabolizmus neuronu, - podílí se na homeostáze, - vytváří bariéru proti vstupu látek do CNS, - spolu s mozkomíšním mokem a extracelulárním prostorem tvoří 50% extraneuronového objemu nervstva, - Dělíme ji na: : makroglii tvoří ji : Astroglie zprostředkovává styk mezi neuronem a krevními vlásečnicemi. : Oligodendroglie tvoří myelin pro pochvy axonů v mozku. : Ependymální buňky vystýlají dutiny CNS a společně s cévami tvoří plexus chorioideus, v němž vzniká mozkomíšní mok. : mikroglii pomáhá odstraňovat z extracelulárního prostoru K + a svou fagocytární schopností se uplatňuje při některých chorobách. Extracelulární prostor - tvoří 15 25 % extraneuronového objemu centrálního nervového systému, - jeho hlavní funkcí je zajištění stálé koncentrace iontů.
Některé zvláštnosti cévního zásobení a metabolizmu mozku Mozkem proteče 20 % minutového objemu srdečního. Zvláštnosti cévního řečiště mozku jsou: 1. kapilárami protéká stálé množství krve, neboť v mozku nejsou arteriovenózní anastomózy, 2. tlak krve v mozku nezávisí na změnách systémového tlaku, což je způsobeno uspořádáním oběhu (circulus arteriosus Willisi). Sytém mozkových bariér Látky z krve nepřestupují do nervové tkáně přímo, ale systémem bariér: Druhy mozkových bariér: 1. hematoencefalitická mezi krví a nervovou tkání, 2. hematolikvorová mezi krví a mozkomíšním mokem, 3. likvoroencefalická mezi likvorem a nervovou tkání (její existence je však sporná) Hematoencefalitická bariéra Transport látek touto barierou se uskutečňuje: : prostou difuzí např. kyslík, oxid uhličitý, voda, : aktivním transportem např. D-glukóza, laktát, l-tyrozin. Mozkomíšní mok (cerebrospinální likvor) - tvoří se z krevní plazmy v plexus chorioideus ve III. mozkové komoře a v postranních komorách, a to nepřetržitě v množství 0,5 ml/min, 720 ml/24 hodin, - cirkuluje subarachnoidálním a komorovým prostorem. Resorpce likvoru do venózního systému je realizována subarachnoidálními klky a závisí na jeho tlaku. Rovnováha vstřebávání a tvorby je při tlaku 1 kpa. Složení: čistý, bezbarvý, ph dosahuje hodnoty 7,33, specifická hmotnost 1003 1008, obsahuje malé lymfocyty a monocyty, jeho množství je 150 ml. Tlak: vleže 0,7 1,4 kpa, v sedě je 2x vyšší. Funkce: pro mozkovou tkáň tvoří ochranu, vyrovnává změny jejího objemu, má nezastupitelnou úlohu trofickou a distribuční. Energetický metabolizmus nervstva Glukóza hlavní energetický substrát pro činnost nervstva, - tvoří 20 % její celkové spotřeby v organizmu. Mozek nemá rezervní akumulující mechanizmy pro kyslík. Dodávky kyslíku proto závisí na sycení arteriální a venózní krve a udržení jejich plynulého oběhu. Nedostatečné zásobení mozku kyslíkem i glukózou se projeví ztrátou vědomí. Při normální teplotě po delší době než 5 minut dochází ke smrti neuronů. Při poklesu glykémie nastává nejprve zmatenost, bezvědomí, křeče a nakonec smrt.