Biologiczne mechanizmy zachowania

Transkrypt

1 Biologiczne mechanizmy zachowania Przekaźnictwo chemiczne w mózgu mgr Monika Mazurek IPs UJ

2 Odkrycie synaps Ramon y Cajal (koniec XIX wieku) neurony nie łączą się między sobą, między nimi jest drobna szczelina. Charles Scott Sherrington (1906) szczególny rodzaj komunikacji w szczelinie. Zaproponował pojęcie SYNAPSY.

3 Sherrington (1906) Studiowanie odruchów PROSTY ŁUK ODRUCHOWY

4 Sherrington (1906) Dlaczego komunikacja synaptyczna jest wyjątkowa? - Szybkość inicjowania odruchów - wolniejsza niż przewodzenie informacji przez akson (15 m/s do 40 m/s) - Kilka słabszych bodźców zadziała silniej niż jeden bodziec (sumowanie) - Gdy jedne synapsy są pobudzone inne rozluźnione

5 Sherrington (1906) Odruchy są wolniejsze niż przewodzenie informacji przez akson: OPÓŹNIENIE SYNAPTYCZNE UKŁUCIE ŁAPY receptor czuciowy rdzeń kręgowy receptor ruchowy ZGIĘCIE ŁAPY

6 Sherrington (1906) SUMOWANIE CZASOWE efekty nałożonych po sobie bodźców mogą się sumować Pojedyncze ukłucie łapy: brak reakcji Kilka ukłuć: reakcja Kilka szybkich ukłuć: wyraźna reakcja Po jednym ukłuciu pobudzenie neuronu postsynaptycznego było za niskie Po kilku ukłuciach sumowanie, wyzwolenie potencjału czynnościowego w neuronie postsynaptycznym

7 John Eccles (1964) Pierwszy opis zjawisk synaptycznych na poziomie molekularnym - mikroelektroda w neuronie służąca do pomiaru zmian potencjału błonowego - stymulacja aksonów z elektrodami i obserwacja neuronu - lokalna depolaryzacja błony neuronu postsynaptycznego

8 Potencjały postsynaptyczne Potencjały postsynaptyczne mogą mieć charakter: - Depolaryzacji (potencjał pobudzający) - Polaryzacji (potencjał hamujący) Potencjały czynnościowe zawsze depolaryzacja

9 Potencjały postsynaptyczne (stopniowane) Depolaryzacja postsynaptyczny potencjał pobudzający (EPSP, excitatory postsynaptic potential) Hiperpolaryzacja postsynaptyczny potencjał hamujący (IPSP, inhibitory postsynaptic potential)

10 EPSP Lokalna depolaryzacja Przybliża potencjał błonowy do progu wytworzenia potencjału czynnościowego Wywołany jest pobudzeniem kilku synaps Niewielki do 8mV Opóźnienie synaptyczne (0,5-1ms) Zanikają wykładniczo w przestrzeni Końcowy efekt sumowania wzgórek aksonalny

11 EPSP Otwarcie kanałów sodowych, wzrasta przepływ jonów sodu przez błonę Zdarzenie podprogowe inaczej niż potencjał czynnościowy Kolejne EPSP mogą się sumować, przekraczając próg potencjału czynnościowego (zależne od ilości EPSP, czasu następowania po sobie EPSP, progu komórki )

12 EPSP

13 IPSP Chwilowa hiperpolaryzacja błony - większa przepuszczalność dla jonów K + - większa przepuszczalność dla jonów Cl - Oddala potencjał błony komórkowej od progu wytworzenia potencjału czynnościowego

14 IPSP Oddziaływanie synapsy wybiórczo otwiera kanały dla potasu, który wypływa z komórki lub chloru, który napływa do komórki Potencjał postsynaptyczny hamujący aktywny mechanizm, nie doprowadza do pobudzenia

15 IPSP i EPSP Włókno hamujące zakończenie presynaptyczne neurotransmiter hamujący zakończenie presynaptyczne neurotransmiter pobudzający szczelina synaptyczna szczelina synaptyczna receptor Błona postsynaptyczna receptor Błona postsynaptyczna

16 Sumowanie przestrzenne Kilka synaps z różnych miejsc sumuje oddziaływanie na neuron Kłucie w łapę raz brak reakcji Kłucie w łapę raz w dwóch miejscach - reakcja

17 EPSP I IPSP Neuron rzadko wystawiony na działanie jednego mechanizmu Wiele synaps niektóre pobudzające, inne hamujące Docierające EPSP i IPSP konkurują ze sobą, od neuronu postsynaptycznego zależy czy potencjał czynnościowy wytworzy się czy nie Czynność spontaniczna okresowe wyzwalanie potencjału czynnościowego pod nieobecność stymulacji

18 Pobudzenie neuronu WSZYSTKO ALBO NIC dostatecznie silny bodziec wywoła zawsze tę samą reakcję; zbyt słaby - nawet jej nie zapoczątkuje.

19 EPSP i IPSP - im więcej EPSP, tym większe prawdopodobieństwo wygenerowania potencjału czynnościowego; - im więcej IPSP, tym mniejsze prawdopodobieństwo wygenerowania potencjału czynnościowego - inne czynniki: wielkość pojedynczego EPSP, skuteczność efektów sumowania, indywidualny próg pobudzenia neuronu - komórki spontanicznie generujące potencjał czynnościowy - dyzinhibicja (hamowanie hamowania)

20 SYNAPSY Synapsy mogą być tworzone w każdym miejscu na komórce odbierającej sygnał Lokalizacja stanowi podstawę ich klasyfikacji - większość tworzona jest na dendrytach Synapsy chemiczne i synapsy elektryczne Każda synapsa może być określana jako pobudzająca lub hamująca - synapsy pobudzające: pobudzanie pobudzenia lub pobudzanie hamowania - synapsy hamujące: hamowanie pobudzenia lub hamowanie hamowania (tzw. dyzinhibicja)

21 Otto Loewi (1920) Nerwy wysyłają informacje za pomocą substancji chemicznych - stymulacja nerwu błędnego serca żaby (obniżenie częstości skurczów) - płyn, w którym zanurzono serce przeniesiony do innego serca - obniżenie częstości skurczów także tego serca

22 Otto Loewi (1920)

23 -Aksodendrytyczne -Aksosomalne Lokalizacja synaps

24 Synapsy aksodendrytyczne Małe przejrzyste pęcherzyki synaptyczne zwierające neuroprzekaźniki wiele synaps zawiera wiele różnych pęcherzyków Liczne mitochondria w zakończeniu aksonu Szczelina synaptyczna (30nm), zawiera filamenty białkowe Błona komórkowa dendrytu w obszarze tworzącym synapsę jest pogrubiona i tworzy zagęszczenie poststnaptyczne Najczęściej są synapsami pobudzającymi

25 Synapsy aksosomalne Szczelina synaptyczna (20nm) Cienkie zagęszczenie postsynaptyczne Najczęściej są synapsami hamującymi

26 Podział synaps ze względu na rodzaj Elektryczne działania Chemiczne

27 Synapsy elektryczne Połączenia szczelinowe koneksony Konekson 6 podjednostek (koneksyn) Średnica kanałów 2-3nm Stanowią jedynie niewielką pulę synaps u dorosłych osobników

28 KONEKSON

29 Cechy przekaźnictwa elektrycznego Bardzo duża prędkość Wysoka wierność przekazu (bez zniekształceń) Działanie dwukierunkowe Połączenia szczelinowe mogą się zamykać Brak neuromodulacji ograniczony wpływ na modyfikację neuronu postsynaptycznego

30 Synapsy chemiczne Przeważająca liczba synaps Szczelina synaptyczna (20-500nm) Uwalnianie neuroprzekaźników z pęcherzyka synaptycznego Receptory na błonie postsynaptyczej

31 Synapsy elektryczne i chemiczne synapsa elektryczna synapsa chemiczna neuron presynaptyczny mikrotubule cytoplazma neuron presynaptyczny pęcherzyk synaptyczny mitochondria błona presynaptyczna połączenie szczelinowe (2 nm) neuron postsynaptyczny jony przepływają przez Kanały białkowe pęcherzyk synaptyczny ulega fuzji neuron postsynaptyczny neuromediator zostaje uwolniony błona presynaptyczna szczelina synaptyczna (20 nm) błona postsynaptyczna koneksyna - białko błonowe tworzące kanały jonowe receptor na błonie postsynaptycznej Purves et al. ed. (2004) Neuroscience, Sinauer Associates, 3e jony przepływają przez kanały na błonie postsynaptycznej błona postsynaptyczna

32 Neuroprzekaźniki

33 Zjawiska chemiczne w synapsie 1. Synteza neuroprzekaźników (małe w zakończeniach presynaptycznych, białkowe w somie. 2. Neuroprzekaźniki białkowe są transportowane do zakończeń presynaptycznych. 3. Potencjał czynnościowy: jony wapnia napływają do komórki i uwalniają neuroprzekaźnik do szczeliny. 4. Uwolniony neuroprzekaźnik przyłącza się do receptora neuronu postsynaptycznego

34 Zjawiska chemiczne w synapsie c.d. 5. Cząsteczki odłączają się od receptora i zostają przekształcane w substancje nieaktywne 6. Niektóre komórki neuroprzekaźnik z powrotem transportowany do neuronu presynaptycznego w celu ponownego użycia (wychwyt zwrotny)

35 Receptory postsynaptyczne Jonotropowe Metabotropowe

36

37

38 Receptory jonotropowe (bramkowane ligandem) Przyłączenie neuroprzekaźnika powoduje otwarcie kanału dla danych jonów szybkie w działaniu (10 ms od przyłączenia neurotransmitera do reakcji) działają krótko (20 ms) i lokalnie przekazywanie informacji sensorycznych (wzrok, słuch) i sterowanie ruchami mięśni SZYBKIE PRZEKAŹNICTWO SYNAPTYCZNE

39 Receptory metabotropowe (zależne od białka G) powolne w działaniu (30 ms od przyłączenia neuroprzekaźnika do reakcji) Reakcja sekundy, minuty godziny mogą powodować długotrwałe zmiany w całej komórce (mające miejsce długo po zaprzestaniu działania neuroprzekaźnika) białko G, wtórne przekaźniki WOLNE PRZEKAŹNICTWO SYNAPTYCZNE

40 Różnice indywidualne Dla każdego neuroprzekaźnika mózg posiada różne rodzaje receptorów Zmienność osobnicza w liczbie rodzajów receptorów

41 Inaktywacja neuroprzekaźników Niemożliwa byłaby szybka reakcja poststnaptycznej komorki na zmieniający się sygnał presynaptyczny Desensytyzacja receptorów (zmniejszenie wrażliwości synapsy na neuroprzekaźnik)

42 Neuroprzekaźnik czy neuromodulator Neuroprzekaźnik: - Przekaźnictwo szybkie - Działa bezpośrednio Neuromodulator: Neuroprzekaźniki głównie białkowe - Przekaźnictwo wolne - Same nie powodują pobudzenia/hamowania komórki postsynaptycznej - Zmniejszają wydzielanie innego neuroprzekaźnika, zmieniają wrażliwość komórki postsynaptycznej

43 Substancje psychoaktywne a synapsy Antagonista: Substancja blokująca działanie neuroprzekaźnika Agonista: Substancja naśladująca działanie neuroprzekaźnika

44 Substancje psychoaktywne a synapsy POWINOWACTWO (AFFINITY) -zdolność do związania leku z receptorem. SKUTECZNOŚĆ (EFFICIENCY) -zdolność do wywołania określonego efektu po związaniu leku z receptorem

45 Substancje psychoaktywne a synapsy