Zagadnienia do opracowania

Transkrypt

1 Wykład Wybrane aspekty plastyczności Prowadząca: prof. UG, Edyta Jurkowlaniec Literatura wymagana do zaliczenia zajęć (zdania egzaminu): 1. Kossut M. (red.) Mechanizmy plastyczności mózgu. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. 2. Górska T., Grabowska A., Zagrodzka J. (red.) Mózg a zachowanie. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. Literatura uzupełniająca: 1. Maquet P., Smith C., Stickgold R Sleep and brain plasticity. Oxford University Press, New York, USA. 2. Longstaff A Neurobiologia. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. 3. Literatura naukowa: artykuły w czasopismach specjalistycznych, zalecane przez prowadzącego oraz wyszukane samodzielnie w bazie publikacji PubMed

2 Zagadnienia do opracowania 1. Rola hipokampa i kory przedczołowej w procesach pamięciowych 2. Rola GABA w procesach plastyczności (Siucińska E. Kosmos 2005, vol.54, no 2-3, ) 3. Neurogeneza jako przejaw procesów plastycznych (Bartkowska K. Kosmos 2004, vol.53, no 2, ) 4. Znaczenie rytmu theta w procesach plastycznych 5. Plastyczność a uczenie się 6. Klasyfikacja rodzajów pamięci w oparciu o czas jej trwania i przedmiot pamięci oraz metody oceny pamięci (Mózg a Zachowanie, 2005, PWN Warszawa, Kowalska DM, Kuśmierek P. "Anatomiczne podstawy pamięci " ) 7. Klasyfikacja zaburzeń pamięciowych 8. Uzależnienia jako patologiczna plastyczność synaptyczna 9. Znaczenie snu w procesach plastycznych 10. Fizjologiczne skutki asymetrii budowy mózgu ręczność 11. Fizjologiczne skutki asymetrii budowy mózgu różnice płciowe

3 Właściwości neuronów: Pobudliwość zdolność komórki do reagowania na bodźce w sposób swoisty Plastyczność zdolność neuronów do ulegania trwałym zmianom w procesie uczenia się Koncepcja Hebba (1949 r) do zmiany siły połączeń między neuronami konieczne jest skuteczne i powtarzalne pobudzenie neuronu postsynaptycznego przez presynaptyczny (czyli pot. czynnościowy) = skuteczne pobudzenie to mocniejsze połączenie...cells that fire together, wire together... Donald Olding Hebb ( )

4 Rodzaje plastyczności Plastyczność rozwojowa zmiany powstające w trakcie rozwoju osobniczego Plastyczność pamięciowa zmiany wiążące się z różnego typu pamięcią Plastyczność kompensacyjna zmiany o charakterze kompensacyjnym (czyli naprawczym) po uszkodzeniach Budujesz swój mózg, gdy go używasz; co więcej budujesz swój mózg tylko wtedy, gdy go używasz Prof. Irun R. Cohen, Department of Immunology, Israel Inne rodzaje plastyczności: plastyczność związana z powstawaniem uzależnień plastyczność patologiczna (epileptogeneza, bóle neuropatyczne)

5 Plastyczność rozwojowa Nadprodukcja elementów komórkowych: nadprodukcja synaps, receptorów i neuroprzekaźników; wytwarzanie kolaterali aksonalnych Apoptoza - zaprogramowana śmierć komórek Neurony aktywują program samozabijania, zależny od ekspresji pewnych genów i syntezy mrna oraz sygnałów otrzymywanych z otoczenia; apoptoza może służyć do eliminowania niewłaściwie powstałych połączeń. Początkowa nadprodukcja neuronów służy temu, żeby struktury docelowe otrzymały odpowiednio dużo połączeń, a następująca potem śmierć neuronów - służy ilościowemu dopasowaniu do siebie struktur oraz eliminacji pewnych błędów rozwojowych. Modyfikacja połączeń między neuronami może obejmować zmiany, które zachodzą w obrębie zakończeń aksonu, synapsy oraz dendrytu

6 Plastyczność kompensacyjna Typy zmian w połączeniach mózgowych w następstwie lezji reinerwacja na sąsiednie, nieuszkodzone neurony, występuje tu rozrastanie się aksonów w ich proksymalnej części - sprouting przecięte włókna rozrastają się poniżej uszkodzenia i poszukują innych docelowych neuronów włókno nieuszkodzone, ale pozbawione przy uszkodzeniu mózgu docelowego neuronu ulega rozrostowi w poszukiwaniu nowych neuronów - dotyczy to głównie wczesnych okresów rozwoju - pruning

7 Pamięć pozytywna związana jest ze zjawiskiem sensytyzacji (wzrostu wrażliwości) i nasileniem transmisji synaptycznej i wynika z torowania (facilitation) w drogach nerwowych. Efektem jest magazynowanie śladów pamięciowych (engramów) Pamięć negatywna - łączona jest z hamowaniem w drogach neuronalnych i prowadzi do habituacji: jej następstwem jest ignorowanie informacji bez znaczenia (i zapominanie)

8 - pamięć sensoryczną - wstępny etap kodowania informacji (kilka ms - kilka s). Zaliczamy do niej pamięć ikoniczną - wzrokową, echoiczną - słuchową. Informacja sensoryczna jest nieograniczona, ale jej ślady natychmiast znikają. - pamięć krótkotrwała - short-term memory. Bywa określana jako pamięć świeża (recent memory) lub operacyjna (working memory). Charakteryzuje się małą pojemnością, krótkim okresem przechowywania informacji (kilka s do kilku minut). Jej szczególną formą jest pamięć bezpośrednia czy natychmiastowa (immediate memory). Zaliczamy tutaj np. zapamiętywanie szeregu liczb w numerze telefonu. - pamięć długotrwała - long-term memory. Charakteryzuje się dużą pojemnością i stosunkowo nieograniczonym czasem trwania.

9 Podział neuronów: - ze względu na liczbę wypustek jedno-, dwu- i wielobiegunowe - ze względu na długość aksonu długoaksonowe (projekcyjne, np. piramidowe) i krótkoaksonowe (np. interneurony) (kom Golgiego I i II typu) - ze względu na funkcje czuciowe, ruchowe, pośredniczące (interneurony) - ze względu na główny przekaźnik cholinergiczne, adrenergiczne GABAergiczne itd. Budowa neuronu: ciało komórki (perikarion, soma), dendryty i akson. Aksony mogą być zmielinizowane (szybkoprzewodzące) lub nie. Dendryty są niezmielinizowane (za to mogą mieć kolce). Akson z osłonką tworzy włókno nerwowe. Mielina jest wytwarzana: w ośrodkowym UN przez oligodendrocyty w obwodowym UN przez neurolemocyty (kom. Schwanna) Uwaga: najbardziej pobudliwą częścią neuronu jest wzgórek aksonu

10 Komórki glejowe (neuroglej): kilkakrotnie liczniejsze od neuronów, w odróżnieniu od neuronów nie przewodzą impulsów i mają zdolność podziałów. Znajdują się zarówno w istocie szarej i białej makroglej: oligodendrocyty i kom. Schwanna (produkują mielinę), astrocyty (największe, pośredniczą w wymianie składników energetycznych i budulcowych) mikroglej: makrofagi (z monocytów), ependyma (kom wyściółkowe, wyścielają komory i kanał kręgowy) np.kom. splotów naczyniówkowych Astrocyty mogą stanowić pozaneuronalną drogę przekazu, pośredniczy w tym aminokwas tauryna. Astrocyty wykorzystują również tzw. połączenia szczelinowe (synapsy elektryczne)

11 Przewodnictwo synaptyczne synapsy elektryczne i chemiczne Rodzaje synaps chemicznych: synapsa akso-somatyczna połączenie aksonu z perikarionem (somą) synapsa akso-dendrytyczna połączenie aksonu z dendrytem - najczęstsze synapsa akso-aksonalna połączenie aksonu z aksonem synapsa nerwowo-mięśniowa (płytka ruchowa) połączenie aksonu z włóknem mięśniowym synapsa nerwowo-gruczołowa połączenie aksonu z gruczołem (lub z jego częścią) Synapsy elektryczne gap junction, szybko przewodzące złącza niskooporowe, występują w OUN (licznie zwłaszcza w okresie rozwoju mózgu) ale i np. w sercu.

12 Stopnie depolaryzacji Zmiany elektrotoniczne (katelektrotoniczne) charakteryzują się występowaniem miejscowym, ciągłością, przenoszeniem na dalsze odległości z dekrementem (z zanikiem depolaryzacji). Przenoszone są na bardzo małe odległości. Zmiany te mogą się sumować i jeżeli będą dostatecznie silne, mogą wywołać potencjał czynnościowy Potencjał czynnościowy charakteryzuje się niestopniowalnością, wysokim napięciem i krótkotrwałością. Stosuje się do niego prawo wszystko albo nic. Jest zawsze taki sam amplituda 120 mv. Przenoszony jest na dalsze odległości bez dekrementu, w sposób regeneratywny. Potencjał krytyczny granica pomiędzy zmianami katelektronicznymi, a potencjałem czynnościowym. Jego wartość względna wynosi od -75 mv do -70 mv. W zakresie tych wartości zmiany katelektrotoniczne przechodzą w potencjał czynnościowy. Zmiany te muszą narastać gwałtownie, w przeciwnym razie potencjał krytyczny zanika. W wyniku sumowania zmian katelektrotonicznych dochodzi do wyzwolenia potencjału czynnościowego.

13 http//ump.biofizyka.edu.pl

14 Inne rodzaje depolaryzacji odpowiedź lokalna, potencjał generujący (receptorowy) jest stopniowalny (czyli zależny od siły bodźca) i nie przewodzi się miniaturowy potencjał płytki końcowej po opróżnieniu 1 pęcherzyka synaptycznego; wartość 1mV, pełni rolę troficzną dla mięśnia (odnerwienie daje jego zanik); gdy opróżnionych zostanie więcej pęcherzyków, to może powstać potencjał czynnościowy EPSP i IPSP (Excitatory & Inhibitory PostSynaptic Potential) - postsynaptyczny potencjał pobudzający i hamujący sumują się w czasie i przestrzeni Uwaga: do sumowania depolaryzacji podprogowych dochodzi na powierzchni całego neuronu, ale najniższym progiem pobudliwości cechuje się wzgórek aksonu i tu najłatwiej jest osiągany potencjał krytyczny

15 Struktury ośrodkowe istotne w procesach plastycznych: kora przedczołowa (PFC) ciało migdałowate ciała suteczkowate hipokamp

16 Kora przedczołowa (prefrontal cortex, PFC jest to część czołowej kory asocjacyjnej (homotypowa kora ziarnista płatów czołowych) - nazywana tak w celu odróżnienia jej od bezziarnistej kory czołowej obszarów przedruchowych. Zasadniczą cechą PFC jest obecność w niej bezpośrednich projekcji z jądra przyśrodkowego grzbietowego wzgórza (medio-dorsal), występuje u wszystkich ssaków. U człowieka PFC stanowi ponad 20% powierzchni korowej (do 30%) Kora przedczołowa u człowieka zlokalizowana jest do przodu od obszarów przedruchowych (pól 6, 8) i obejmuje pola 9-12 oraz 45 i 46, ma połączenia recyprokalne z jądrem przyśrodkowo-grzbietowym (medio-dorsal, MD) wzgórza. Do PFC zalicza się również korę przedniej części zakrętu obręczy - pole 24 oraz 25 (bezziarnistą). Znaczenie fizjologiczne kory prefrontalnej kontrola funkcji autonomicznych korowe sterowanie udział w procesach poznawczych i pamięciowych udział w mózgowym systemie nagrody regulacja reakcji emocjonalnych kontrola aktywności ruchowej

17 Znaczenie różnych części PFC w procesach pamięciowych: kora grzbietowo-boczna oraz szczególnie okolica bruzdy głównej odgrywa rolę w pamięci operacyjnej (working memory), służącej krótkotrwałemu przechowywaniu engramów: sprawność pamięci operacyjnej bada się obserwując zaburzenia w wykonywaniu przestrzennych reakcji odroczonych. Jednakże, jeśli w okresie odroczenia nie pojawiają się żadne bodźce zewnętrzne, to reakcja występuje (mimo uszkodzenia kory); sugeruje to jej związek nie tylko z funkcjonowaniem pamięci, ale i wykonywaniem zadań przestrzennych. Uszkodzenia tej kory moga skutkować uposledzeniem wykonania zadań, związanych z rozpoznawaniem kilku obiektów, a następnie ich porządkowaniem lub usuwaniem rola obszarów brzusznych kory prefrontalnej kora zakrętów oczodołowych (o licznych połączeniach nie tylko z MD wzgórza, ale i z przyśrodkowymi częściami płatów skroniowych) ma znaczenie w pamięci rozpoznawczej. dolne obszary PFC z nowych badań, z zastosowaniem metody rezonansu magnetycznego i tomografii pozytronowej wynika, że jest ona aktywowana podczas przypominania sobie faktów i zdarzeń. W przeciwieństwie do wcześniejszych poglądów, gdzie podkreślano udział PFC raczej we wczesnych etapach pamięci (uwaga, koncentracja na bodźcach) teraz podkreślany jest również jej udział w mechanizmach pamięci długotrwałej.

18 Różnice między prawą i lewą PFC: prawa półkula kontroluje negatywne emocje (strach) nasilenie aktywności EEG prawej półkuli przy oglądaniu filmów grozy uszkodzenia lewopółkulowe smutek, depresja, stany lękowe

19 CIAŁO MIGDAŁOWATE (corpus amygdaloideum), AMYGDALA) Ryc Ciało migdałowate i projekcje doprowadzające do jąder migdałowatych Podstawno-boczna część c.m. indukcja strachu (ang. fear) (wzrost przepływu mózgowego w reakcjach strachu, zblednięcie) Korowo-przyśrodkowa część c.m. wściekłość i agresja U kobiet oraz u mężczyzn homoseksualnych więcej połączeń wychodzi z lewego ciała migdałowatego, podczas gdy u heteroseksualnych mężczyzn oraz kobiet homoseksualnych z prawego. D.L. Felten Atlas neuroanatomii i neurofizjologii Nettera 2003 Zespół Kluwera i Bucy ego (1937) pierwszy raz opisany u małp z usuniętym ciałem migdałowatym: łagodność, zobojętnienie, badanie przedmiotów dotykiem, zmniejszona ruchliwość oraz hiperseksualizm

20 CIAŁO SUTECZKOWATE (Corpus mammillare) zawiera jądra przyśrodkowe i boczne, o różnym znaczeniu dla mechanizmów pamięci Część boczna uzyskuje informacje z narządu przedsionkowego i wysyła impulsy do grzbietowej nakrywki są to informacje o położeniu głowy w przestrzeni, otrzymuje z podkładki hipokampa i wysyła do jj przednich wzgórza Część przyśrodkowa związana z kodowaniem informacji o hipokampalnym rytmie theta (zstępująca impulsacja)

21 Hipokamp człowieka: zakręt zębaty hipokamp właściwy (róg Ammona) podkładka Jest to struktura korowa (3 warstwy) Zasadnicze funkcje hipokampa: udział w mechanizmach pamięci (świeżej i asocjacyjnej) orientacja przestrzenna (neurony pamięci przestrzennej) współodczuwanie emocji (neurony lustrzane)

22 ROLA RYTMÓW MÓZGOWYCH Beta wzmożona uwaga (oscylacje wzgórzowo-korowe i zwrotne) Gamma integracja zespołów komórkowych (oscylacje między strukturami) Theta percepcja nowych bodźców, uczenie się i pamięć Alfa relaksacja, przejście z czuwania w sen Delta sen wolnofalowy (oscylacje wzgórzowo-korowe)

23 RYTM THETA występuje w trakcie czuwania i snu paradoksalnego równolegle z wysokoczęstotliwymi rytmami beta i gamma Występowanie rytmu theta ma zasadnicze znaczenie dla funkcji poznawczych i uczenia się, zarówno u zwierząt, jak i u ludzi, dlatego uważany jest za jeden z najbardziej interesujących przejawów pracy mózgu.

24 Rytm theta u człowieka rejestrowany z przedniej części kory zakretu obręczy w czuwaniu i śnie paradoksalnym Uchida i wsp Does hippocampal theta exist in the human brain?

25 MODELE DOŚWIADCZALNE W BADANIACH RYTMU THETA: swobodnie poruszające się zwierzę, z chronicznymi elektrodami w hipokampie zwierzę w narkozie, z elektrodami w hipokampie preparaty mózgowe skrawki hipokampa: - potencjały polowe (local field, multi units) - czynność pojedynczych neuronów (single units)

26 Cechy rytmu theta : u człowieka 4-8 Hz, amplituda V u zwierząt 3-12 Hz, amplituda do 2000 V (zwykle ~ 500 V) = (RSA, rhythmical slow activity) Rodzaje rytmu theta u zwierząt TYP I - podczas ruchów dowolnych (movement-related theta) cechy: częstotliwość 6-12 Hz, atropino-oporny, blokowany uretanem, alkoholem, eterem TYP II - podczas snu paradoksalnego, w znieruchomieniu przed reakcją, w oczekiwaniu na bodziec (immobility-related) cechy: częstotliwość 3-9 Hz, blokowany atropiną, pentobarbitalem, ale nie uretanem; cholinergiczny, muskarynowy. Łatwo wywoływany karbacholem (analog acetylocholiny)

27 Budowa hipokampa: Formacja hipokampalna zakręt zębaty (DG), hipokamp właściwy, podkładka Warstwy w zakręcie zębatym: drobinowa, ziarnista, kom. wielokształtnych Warstwy w hipokampie właściwym: drobinowa (silnie rozbudowana: jasna, promienista, jamista i drobinowa), piramidowa, kom. wielokształtnych Warstwy w podkładce: szczególnie rozwinięta w-wa piramidowa (30 warstw komórek) W hipokampie wyróżnia się 4 sektory: CA1, CA2, CA3, CA4

28 LTP (długotrwałe wzmocnienie synaptyczne) w hipokampie A - schematyczny rysunek skrawka hipokampa: włókna z kory entorhinalnej docierają do hipokampa drogą przeszywającą i tworzą synapsy na dendrytach kom. ziarnistych zakrętu zębatego 1; kom. ziarniste z kolei tworzą synapsy na neuronach piramidowych pola CA3-2; neurony piramidowe pola CA3 wysyłają aksony do kom piramidowych pola CA1-3; B LTP w połączeniu synaptycznym włóknami drogi przeszywającej a kom. ziarnistymi W hipokampie LTP można wywołać w każdym z 3 połączeń synaptycznych