Elektrofizjologia neuronu

Transkrypt

1 Spis treści Co to jest neuron?

2 Spis treści Co to jest neuron? Wstęp Rola jonów w działaniu neronu Potencjał membranowy Stan równowagi Bramki jonowe Dynamika bramek jonowych Model Hodgkina-Huxley a Model Izhikevicha Spis treści Co to jest neuron?

3 Co to jest neuron? Wstęp Spis treści Co to jest neuron?

4 Spis treści Co to jest neuron? Co to jest neuron? Ilość nuronów w ludzkim mózgu szacuje się na 10 11, ilość synaps na Tylko neurony mogą przewodzić impulsy elektryczne Nośnikami impulsów są jony, a nie elektrony

5 Rola jonów w działaniu neronu Potencjał membranowy Stan równowagi Główne jony odpowiedzialne za aktywność elektryczną

6 Schemat komórki neuronowej Rola jonów w działaniu neronu Potencjał membranowy Stan równowagi

7 Rola jonów w działaniu neronu Potencjał membranowy Stan równowagi Stężenie jonów W komórce Na mm K mm Cl 4 mm Ca µm A 147 mm Poza komórką Na mm K + 5 mm Cl 110 mm Ca mm A 25 mm

8 Rola jonów w działaniu neronu Potencjał membranowy Stan równowagi Przepływ jonów Jony (z wyjątkiem A ) mogą przemieszczać się przez kanały jonowe w membranie zgodnie z zasadami zgodnie z gradientem koncentracji zgodnie z gradientem potencjału elektrycznego

9 Rola jonów w działaniu neronu Potencjał membranowy Stan równowagi Dlaczego stężenia jonów są różne? Aktywne pompy jonowe w membranie stale przepychają jony poza komórkę i do wnętrza niezgodnie z ich gradientem koncentracji Kanały jonowe mogą być zamknięte lub otwarte, zależnie od kilku czynników Jony o tym samym znaku ładunku odpychają się, co ogranicza ich przepływ przez błonę komórkową.

10 Stan równowagi Wstęp Rola jonów w działaniu neronu Potencjał membranowy Stan równowagi W stanie równowagi (equilibrium) oba gradienty się równoważą i przepływ jonów przez membranę jest zerowy. Potencjał jonu w stanie równowagi wyraża się wzorem Nernsta: R K Mol F C Mol T temperatura [Ion] stężenie jonu z ładunek jonu J E ion = RT zf ln [Ion] out [Ion] in

11 Rola jonów w działaniu neronu Potencjał membranowy Stan równowagi Wartości potencjału równowagi E Na = 61 90mV E K = 90mV E Ca = mV E Cl = 89mV

12 Wstęp Rola jonów w działaniu neronu Potencjał membranowy Stan równowagi Z każdym jonem stoważyszony jest prąd jonowy o natężeniu I Na = g Na (V E Na ) I K = g K (V E K ) I Ca = g Ca (V E Ca ) I Cl = g Cl (V E Cl ) V potęcjał na membranie g ion przewodność elektryczna (konduktancja?)

13 Wstęp Rola jonów w działaniu neronu Potencjał membranowy Stan równowagi E K < E Cl < V < E Na < E Ca Prądy I K i I Cl płyną na zewnątrz neuronu i obniżają wartość V (hiperpolaryzacja). Prądy I Na i I Ca płyną do wnętrza neuronu i zwiększają wartość V (depolaryzacja).

14 Rola jonów w działaniu neronu Potencjał membranowy Stan równowagi dynamika C V = C dv dt = I I Na I K I Ca I Cl C V = I g Na (V E Na ) g K (V E K ) g Ca (V E Ca ) g Cl (V E Cl )

15 Bramki jonowe Dynamika bramek jonowych (g ion ) jest zależna głównie od kanałów jonowych (mogą być zamknięte). Ta z koleji może zależeć od: potencjału na błonie komórkowej (V ) neuroprzekaźniki z wnętrza komórki neuroprzekaźniki z poza komórki Zazwyczaj realizowana jest w postaci bramek (gates) otwierających i / lub zamykających dostęp do kanałów jonowych.

16 Bramki jonowe Wstęp Bramki jonowe Dynamika bramek jonowych

17 Dynamika Wstęp Bramki jonowe Dynamika bramek jonowych g = ḡm a h b ḡ maksymalna przewodność m = m(v ) stopień otwarcia bramki h = h(v ) stopień zamknięcia bramki (h = 1 oznacza, że nie jest zamknięta) a ilość bramek otwierających na kanał b ilość bramek zamykających na kanał

18 Dynamika funkcji m i h Bramki jonowe Dynamika bramek jonowych Funkcje m i h są modelowane równaniami: ṁ = (m (V ) m) τ m (V ) ḣ = (h (V ) h) τ h (V )

19 Bramki jonowe Dynamika bramek jonowych Dynamika funkcji m i h

20 Bramki jonowe Dynamika bramek jonowych Dynamika funkcji τ m i τ h

21 Model Hodgkina-Huxley a Model Izhikevicha Dynamika w modelu Hodgkina-Huxley a W 1952 roku został zaproponowany pierwszy model neuronu. Bazuje na trzech prądach: K, Na oraz stałym Leak. Większość obecnych modeli to jego wariacje. C V = I ḡ K n 4 (V E K ) ḡ Na m 3 h(v E Na ) g L (V E L ) ṅ = α n (V )(1 n) β n (V )n ṁ = α m (V )(1 m) β m (V )m ḣ = α h (V )(1 h) β h (V )h

22 Dynamika w modelu Izhikevicha Model Hodgkina-Huxley a Model Izhikevicha C V = I ḡ K n 4 (V E K ) ḡ Na m 3 h(v E Na ) g L (V E L ) ṅ = (n (V ) n) τ n (V ) ṁ = (m (V ) m) τ m (V ) ḣ = (h (V ) h) τ h (V )

23 Model Hodgkina-Huxley a Model Izhikevicha

24 E. Izhikevich, Dynamical Systems in Neuroscience