Biologiczne mechanizmy zachowania I. Anatomia funkcjonalna mózgu. Karolina Świder Zakład Psychofizjologii UJ

Transkrypt

1 Biologiczne mechanizmy zachowania I. Anatomia funkcjonalna mózgu Karolina Świder Zakład Psychofizjologii UJ 1

2 BMZ I - 30 godz. wykładów + 30 godzin ćwiczeń egzamin testowy - obecność na ćwiczeniach: 2 dozwolone, nieusprawiedliwione nieobecności - materiały dostępne na stronie: - Hasło: student/zpfip - lektura: 2

3 Systemie Zarządzania Badaniami Instytutu Psychologii UJ. Osoby zarejestrowane otrzymują, za pomocą newslettera, zaproszenia do wzięcia udziału w aktualnie prowadzonych badaniach w Instytucie Psychologii. Uczestnictwo w programie badań jest gratyfikowane w dwojaki sposób. Za udział w badaniach można otrzymać albo punkty albo wynagrodzenie, w zależności od deklaracji prowadzącego badanie. Po uzbieraniu odpowiedniej liczby punktów można otrzymać zaliczenie w ramach kursu Udział w badaniach naukowych w psychologii (3 punkty ECTS). Rejestracji w systemie należy dokonać pod tym adresem: 3

4 Biologiczne mechanizmy zachowania I. Anatomia funkcjonalna mózgu (ćwiczenia) Biologia komórki (R2 i R3 z podręcznika): 1. Budowa komórki nerwowej 2. Potencjał czynnościowy i spoczynkowy 3. Przekaźnictwo chemiczne Podstawy neuroanatomii: 4. Terminologia, podział układu nerwowego, anatomia rdzenia kręgowego 5. Anatomia pnia mózgu 6. Anatomia kresomózgowia, cz.1 7. Anatomia kresomózgowia, cz. 2 Układy funkcjonalne: 8. Układy neuromodulacyjne 9. Układ czucia somatycznego 10. Układ słuchowy i czucie równowagi 11. Budowa układu wzrokowego i mechanizmy fotorecepcji 12. Mechanizmy kontroli ruchowej pytania??? 4

5 BIOLOGICZNE MECHANIZMY ZACHOWANIA I. ANATOMIA FUNKCJONALNA MÓZGU 1. Budowa komórki nerwowej - Biologia komórki 5

6 Mózg gości w naszych ciałach na dość szczególnych warunkach ochrona mechaniczna mózgu ochrona biochemiczna mózgu zapotrzebowania energetyczne mózgu 6

7 Ochrona mechaniczna: kości czaszki i opony mózgu 7

8 Płyn mózgowo-rdzeniowy Funkcja: - amortyzacja - wyrównywanie zmian ciśnienia wewnątrz czaszki (krążenie) Przejrzysta ciecz, która wypełnia przestrzeń podpajęczynówkową, układ komorowy i kanał rdzenia kręgowego (ok. 135 ml) Podlega czterokrotnej wymianie w ciągu 24 h 8

9 Ochrona biochemiczna - co nią jest? - po co? BARIERA KREW-MÓZG BLOOD-BRAIN BARRIER, BBB pl Bariera hematoencefaliczna Specyficzna budowa oraz właściwości biochemiczne śródbłonka naczyń mózgowych + komórki glejowe. 9

10 tkanka mózgu Co dostaje się do mózgu, a co nie Aby substancja mogła przedostać się do mózgu musi wniknąć do komórek śródbłonka i przejść przez ich cytoplazmę: Połączenie ścisłe (tight junction) Komórka śródbłonka Transport bierny (dyfuzja) O 2, CO 2, H 2 0, cząsteczki rozpuszczalne w tłuszczach z których są zbudowane ściany kapilar (heroina, morfina, nikotyna, kannabinol, leki psychiatryczne) Transport czynny Peptydy i białka regulacyjne glukoza, niektóre witaminy i hormony; oksytocyna, opiaty, insulina, somatostatyna, aminokwasy, kwasy tłuszczowe, jony sodu i potasu, niektóre leki tkanka mózgu 10

11 Wymagania energetyczne mózg waży 1,2-1,5 kg (mniej niż 1% wagi ciała) 15% krwi krążącej przepływa przez mózg jednocześnie zużywa: 25% puli tlenowej 20% energii (i to jedynie cukrów = glukozy) pobór cukru jest insulino-niezależny Mózg nie czeka ze swoja aktywnością na duże stężenie glukozy we krwi, jeśli jest jej za mało, uruchamiane są inne pokłady energii, np. glikogen, skrajnie nawet tłuszcze! Tiamina niezbędna do metabolizmu glukozy 11

12 Stopień złożoności układu mózgowie składa się z około: 100,000,000,000 (10 11 = sto miliardów) neuronów średnia połączeń między neuronami to około: 1000 na neuron, co daje około 100,000,000,000,000 (10 14 = sto bilonów) połączeń 12

13 Komórki układu nerwowego NEURONY KOM. GLEJOWE przekazywanie informacji w UN mikroglej makroglej mikrocyty oligodendrocyty (w CNU) i kom.schwanna (w OUN) astrocyty i glej radialny funkcje wspomagające w UN 13

14 Budowa komórki zwierzęcej: 14

15 Budowa komórki zwierzęcej: błona komórkowa kontroluje wymianę substancji komórka-otocznie jądro zawiera materiał genetyczny, centrum obliczeniowe neuronu mitochondrium odpowiada za oddychanie wewnątrzkomórkowe (synteza ATP - cykl Krebsa rybosomy i retikulum endoplazmatyczne odpowiadają za proces translacji i syntezy białek oraz ich transport w obrębie komórki Aparat Golgiego - służącą chemicznym modyfikacjom wytwarzanych przez komórkę substancji, ich sortowaniu oraz dystrybucji w obrębie komórki 15

16 Budowa wewnętrzna neuronu Fedorenko & Uzdensky, 2014 Mt mikrotubule GA apparat Golgiego ER reticulum Endoplazmatyczne Mit mitochondrium Gl kom. glejowa GN jądro kom.glejowej The Nissl body at the perikarion periphery is separated from the outer membrane by the microtubule layer ( Mt ). The trans side of the Golgi dictyosome ( GA ) is faced to the inner microtubule bundle ( Mt ). ER endoplasmic reticulum; Gl glial cell, GN glial nucleus; Mit mitochondria; TL tubular 16 lattice

17 Czym neuron różni się od innych komórek?

18 Ciało komórki = soma = perikarion odpowiedzialne za większość rutynowych funkcji utrzymujących strukturę neuronu średnica 5-8 µm do 120 µm perikarion neuronu nie różni się bardzo od ciała komórki nienerwowej, chociaż strukturalnie jest on wyspecjalizowany w utrzymywaniu dużej aktywności biosyntetycznej wysokie tempo syntezy białek 18

19 Ciało komórki - Ziarnistości Nissla Ziarnistości Nissla są jedną z przyczyn szarej barwy skupisk ciał komórek nerwowych (istota szara) specyficzna dla neuronów postać szorstkiej siateczki śródplazmatycznej i wolnych rybosomów; perykarion i dendryty nigdy akson! 19

20 Fragment ludzkiej kory mózgowej Barwienie metodą Nissla, uwidaczniające kadłuby komórek Barwienie na obecność włókien nerwowych Buxhoeveden & Casanova

21 Neuryty Skład organelli we wnętrzu dendrytów jest podobny do tego w perykarionie, natomiast we wnętrzu aksonu brak jest szorstkiego retikulum endoplazmatycznego i rybosomów Zarówno w dendrytach jak i aksonach znajdują się mitochondria Zakończenie aksonów zawiera bardzo dużo mitochondriów, co jest odzwierciedleniem bardzo dużych potrzeb energetycznych 21

22 Różnice w składzie organelle w obu typach neurytów wynikają z odmiennej organizacji mikrotubul - W dendrytach mikrotubule ułożone są w obu kierunkach - W aksonach + zawsze dystalnie do ciała komórki Elementy cytoszkieletu - Mitohondria od do +, pozostałe od + do - 22

23 Akson W aksonie transport odbywa się w kierunku: - do zakończenia aksonu (do końca + mikrotubuli, transport anterogradowy), - do ciała komórki nerwowej (do końca mikrotubuli, transport retrogradowy). 23

24 Elementy cytoszkieletu 24

25 Neuryty Cylindryczne wypustki dwojakiego rodzaju czym się jeszcze różnią? dendryty akson silnie rozgałęzione; zwężają się ku końcowi długość nawet ponad 1 mm zwykle pojedynczy; wyrównana średnica długość nawet kilku µm do ponad metra; średnica µm stanowią do 90% powierzchni większości neuronów dochodzi do nich większość połączeń synaptycznych z innych neuronów przeważnie wychodzi z ciała komórki ale czasami może mieć początek na dendrycie proksymalnym Niektóre aksony kończą się pęczkiem gałązek (rozgałęzienia aksonu) i każda jest zakończona guziczkiem inne mają guziczki na całej swojej długości (tzw. żylakowatości) Zakończenia aksonu tworzą komponenty presynaptyczne synaps chemicznych! wzgórek aksonalny! kolaterale aksonu! kolbki aksonu (guziczki) 25

26 Kolce dendrytyczne Neuron na żywo Co widać? Ciało komórki/perikarion 10-9 m!!! Wypustki 26

27 Kolce dendrytyczne - wypustka pokrywająca dendryty niektórych neuronów, odbiera sygnały pobudzające od innych neuronów - duża plastyczność; związane z procesami uczenia się - występują na dendrytach neuronów piramidowych kory mózgu, komórek Purkiniego w móżdżku oraz neuronów prążkowa. - ponad kolców dendrytycznych. - średnie zagęszczenie kolców pokrywających dendryt to ok kolców/1 μm dendrytu. J Neurosci 23(8): (2003 April 15) 27

28 Osłonka mielinowa o Pokrycie otoczką zapewnia: szybsze przewodzenie impulsu nerwowego (funkcja izolatora elektrycznego) ochronę mechaniczną. Aksony otoczone są segmentowanymi osłonkami wytworzonymi przez komórki neurogleju: kom. Schwanna w obwodowym układzie nerwowym, astrocyty i oligodendrocyty w centralnym układzie nerwowym. Akson otoczony osłonką nosi nazwę włókna nerwowego przewężenia Ranviera (50 μm 1 mm); 1 oligodendrocyt oplata aksonów 28

29 Błona komórkowa Struktury białkowe! Ważną cechą neuronów jest to, iż skład białek na ich błonie zależny jest od tego, czy otacza ona obszar somy, dendrytów czy aksonu. Cząsteczki fosfolipidów białka Dwuwarstwa fosfolipidowa (5 nm) 29

30 Struktury białkowe? kanały jonowe Niektóre z nich tworzą pompę sodowo-potasową, inne tworzą kanały warunkujące jakie substancje dostać się mogą do wnętrza komórki. Kanały sodowe, potasowe, chlorowe i wapniowe 30

31 Schemat budowy nie(typowego) neuronu osłonka mielinowa dendryty jądro wzgórek aksonalny osłonka mielinowa akson zakończenia presynaptyczne ciało komórki kolce dendrytyczne włókno mięśniowe 31

32 Budowa wewnętrzna neuronu - podsumowanie 32

33 Klasyfikacja neuronów Strukturalna Funkcjonalna 33

34 Nie wszystkie neurony wyglądają tak samo!!! 34

35 Rodzaje komórek nerwowych klasyfikacja strukturalna 1. Podział ze względu na liczbę wypustek odchodzących od ciała komórki, 1) jednobiegunowe posiadające tylko jeden neuryt (np. w podwzgórzu). 2) dwubiegunowe posiadające dwa neuryty (np. komórki w siatkówki oka, błony węchowej). 3) wielobiegunowe posiadające trzy lub więcej neurytów (zdecydowana większość. neuronów układu nerwowego kręgowców) 4) pseudojednobiegunowe posiadające dwa neuryty, które uległy fuzji na początkowym odcinku (np. zwoje czuciowe nerwów czaszkowych i rdzeniowych). 2. Podział ze względu na długość aksonów: neurony typu Golgi I (projekcyjne) o długich aksonach, przenoszące informacje na duże odległości neurony typu Golgi II (interneurony) o krótkich aksonach, przenoszące informacje na małe odległości) 35

36 Klasyfikacja funkcjonalna Pod względem kierunku przekazywania sygnału neurony dzieli się na: czuciowe - biegnące od receptora do ośrodka; ruchowe - biegnące od ośrodka do efektora; kojarzeniowe - występujące między innymi pomiędzy neuronami czuciowymi i ruchowymi. 36

37 Klasyfikacja funkcjonalna Pod względem wydzielanego głównego neuroprzekaźnika GABA-ergiczne kwas gamma-aminomasłowy (GABA) noradrenergiczne noradrenalina cholinergiczne acetylocholina dopaminergiczne dopamina 37

38 Neurony: Eferentne lub Aferentne Eferentny (od A) Aferentny (do B) Każdy neuron czuciowy jest aferentny w stosunku do całego ukł. nerwowego, a każdy neuron ruchowy jest eferentny do całego ukł. nerwowego 38

39 Komórki układu nerwowego NEURONY KOM. GLEJOWE przekazywanie informacji w UN mikroglej makroglej mikrocyty oligodendrocyty (w CNU) i kom.schwanna (w OUN) astrocyty i glej radialny funkcje wspomagające w UN 39

40 Komórki glejowe Nie przesyła informacji na długie dystanse Wymienia informacje z sąsiadującymi komórkami nerwowymi Przeciętnie 10 krotnie mniejsza od neuronu 10 razy więcej niż neuronów 40

41 Komórki glejwe - BBB są one łącznikami pomiędzy ścianką naczynia włosowatego a neuronami. wypustki komórek glejowych pokrywają około 90% powierzchni ścian naczyń włosowatych. Astrocyty transportują substancje zarówno z naczynia do neuronów, jak i z neuronów do naczynia. 41

42 Glej (komórki glejowe): mikroglej astrocyt osłonka mielinowa oligodendrocyt komórka Schwanna obwodowy układ nerwowy glej radialny ośrodkowy układ nerwowy 42

43 Astrocyty - Komunikacja, zsynchronizowanie działania neuronów, umożliwia przewodzenie inf. falami; usuwanie pozostałości po obumarłych komórkach; ochrona i regulacja procesów w szczelinie synaptycznej, utrzymywanie homeostazy jonowej, tworzenie BBB, wydzielanie czynników wzrostu, funkcja odżywcza. - Glej radialny - przewodnik we wczesnej migracji neuronów; tworzy matryce pod rozrost nowych połączeń 43

44 Jeszcze raz o gleju: przeczytać znaczy zapamiętać MIKROCYTY - Usuwanie pozostałości komórek ~ ukł. odpornościowy; namnażają się w miejscu uszkodzenia mózgu OLIGODENDROCYTY i KOM. SCHWANNA - Tworzenie osłonek mielinowych 44

45 Mikrocyt Astrocyt Skup, M. (2000). Komórka glejowa w normie i patologii [w:] Mózg a zachowanie, (red.) Górska, Grabowska, Zagrodzka 45

46 Neuroscience [neuronauka] może być jak sztuka Neurons or Pollock? Scientists Create Technicolor Brainbow

47 Neurony się ze sobą komunikują 47