Biologiczne podstawy zachowania WYKŁAD 3 Neurony. Komórki glejowe. Synapsa i przekaźnictwo synaptyczne. Prof. dr hab. Krzysztof Turlejski UKSW Instytut Biologii Doświadczalnej PAN
Dwa rodzaje komórek układu nerwowego Neurony (komórki nerwowe, neurocyty) wyspecjalizowane komórki odbierające, przetwarzające i przekazujące pobudzenia (przetwarzające informacje). Komórki glejowe: astrocyty, oligodendrocyty, ependymocyty i mikroglej. Funkcje troficzne, izolacja aksonów, zwalczanie zakażeń, usuwanie martwych komórek. Jest ich 10x więcej, niż neuronów.
Co wyróżnia neuron spośród innych komórek? Tylko neurony i komórki mięśniowe syntezują białko ( mają ekspresję białka ) zwane kanałem sodowym napięciowo zależnym. Taki kanał (umiejscowiony w błonie komórkowej), normalnie jest zamknięty, a otwiera się pod wpływem zmniejszenia różnicy potencjału między komórką a otoczeniam (depolaryzacji) o pewną progową wielkość. Neurony nigdy się nie dzielą. Powstają w wyniku podziałów asymetrycznych komórek macierzystych układu nerwowego. W wyniku takiego podziału powstaje nowa komórka macierzysta i neuron, komórka nigdy się nie dzieląca. Neurony mają ogromnie rozbudowane wypustki cytoplazmatyczne dendryty i akson.
W większości struktur mózgu neurony są ułożone w sposób wysoce zorganizowany. Przekrój przez hipokamp, rysunek Ramona y Cajala Neurony Purkinjego w móżdżku
Szacowanie liczby neuronów problemy techniczne Skomplikowany kształt i ogromna liczba neuronów, niehomogenność struktur i populacji neuronów Wielka zmienność międzyosobnicza. Częste są dwukrotne różnice liczby komórek miedzy dwoma normalnymi ludźmi. Podstawowa przyczyna: czynniki genetyczne (86%) i środowiskowe (11%) (Wimer & Wimer 1976-1982). Często nie jest znany wpływ czynników patogennych, działających w ciągu życia.
Zmiany w oszacowaniach liczby neuronów kory nowej i całego mózgu człowieka (w miliardach) KORA NOWA CAŁY MÓZG 1885 H.H. Donaldson (dane Meynerta) 1.2 2 1899 H. Thompson 9.3 1925 C. von Economo & G.N. Koskinas 14.0 1941 E. Aghdur 5.0 10-15 1953 G.A. Shariff 6.9 1985 H. Haug et al.. 13.9 1990 H. Braendgaard et al.. 27.4 1992 B. Pakkenberg 25.0 150-200 1997 B. Pakkenberg & H.J.G. Gundersen 22.8 2006-10 C. Herculano-Houzel 25 100
Czy neurony mózgu wymierają w ciągu życia z przyczyn naturalnych? TAK (Twierdzenie Hodge a 1894) Zliczenia neuronów kory mózgu. Kuhlenbeck 1944 (szczur) Riese 1946 (człowiek) Brody 1955, 1970 (człowiek) Colon 1971, 1972 (człowiek) Brizzee 1973 (człowiek) Ordy 1980 (człowiek) Henderson 1980 (człowiek) METODA STEREOLOGICZNA TAK, 10%. Pakkenberg & Gundersen 1997, człowiek. NIE Konigsmark & Murphy 1970 (przegl) Hanley 1974 (przegląd) Cragg 1975 (człowiek) Curcio and Coleman 1982 (człowiek) Haug 1985, 1987 (człowiek) Terry et al. 1987 (człowiek Flood and Coleman 1988 (przegląd) METODA STEREOLOGICZNA NIE. Siedmiu różnych autorów (1994-2001), człowiek
Fakty prasowe Często słyszy się twierdzenie, że w ciągu życia wymiera około połowy neuronów mózgu. Częste jest także twierdzenie, że codziennie wymiera 20-30 000 neuronów. Zauważmy, że przy tym tempie wymierania w ciągu 80 lat ubędzie około 0.6 miliarda neuronów. Gdyby, jak sądzono 100 lat temu, było ich około jednego miliarda, to oznaczało by to właśnie ubytek ponad połowy neuronów. Jeśli jednak neuronów jest 100 miliardów, jest to ubytek o 0.6 %, zupełnie niemierzalny i bez znaczenia.
Struktury, w których stwierdzono wymieranie neuronów w ciągu życia Dla wielu struktur mózgu podaje się sprzeczne wyniki, ale w przypadku trzech populacji komórek nerwowych dość dobrze udokumentowano znaczący spadek liczby neuronów w ciągu życia (30-50%). Są to: -neurony Purkiniego w móżdżku; -neurony dopaminergiczne istoty czarnej pnia mózgu; -motoneurony. Wszystkie te struktury należą do układu kontroli ruchu, toteż stopniowa utrata tej kontroli na starość może być szybsza, niż utrata sprawności intelektualnej. Utrata powyżej 50% neuronów istoty czarnej prowadzi do choroby Parkinsona.
Struktury mózgu ssaków, w których neurony są generowane, a także wymierają, przez całe życie. Zawój zębaty hipokampa (DG) i strefa okołokomorowa komór bocznych (SVZ) stale generują nowe neurony. Z SVZ młode neurony wędrują do opuszek węchowych (OB), gdzie wykształcają się z nich interneurony.
BUDOWA NEURONU
Ciało neuronu (perikarion) Elementami charakterystycznymi neuronów są ziarnistości Nissla i neurofibryle. Ciała neuronów mogą mieć bardzo różną wielkość i kształt. Małe neurony mają średnicę ciała mniejszą niż 4 µm (najmniejsze są komórki ziarniste móżdżku), a duże do 135 µm (największe są motoneurony rdzenia kręgowego).
Wypustki neuronu Wybarwione ciało komórkowe neuronu i jego wypustki: dendryty i akson (neuryt, wypustka osiowa)
Drzewko dendrytyczne Na powiększonym obrazie widoczne są koce dendrytyczne, Gdzie bardzo często tworzą się synapsy
Podział neuronów na komórki Golgiego typu I i II Pod względem długości wypustek osiowych (aksonów) wyróżnia się dwa główne typy neuronów: Komórki Golgiego typu I neurony o piramidalnym ciele komórkowym i długich aksonach, które komunikują się z odległymi strukturami; Komórki Golgiego typu II neurony o ciałach komórkowych bardzo różnych kształtów i krótkich aksonach, które spełniają rolę interneuronów (neuronów wewnętrznych struktury).
Mikrotubule Dendryty Mitochondria Siateczka śródplazmatyczna Jądro komórkowe z centralnie położonym jąderkiem (wysoka aktywność transkrypcyjna). Siateczka śródplazmatyczna ziarnista (RER) - ziarnistości Nissla (głównie rybosomy). Występują w ciele komórkowym i dendrytach, brak ich w aksonie. Produkcja białek. Aparat Golgiego - formowanie białek, wydzielanie hormonów. Mitochondria - produkcja ATP, substratu energetycznego komórek. Lizosomy usuwanie uszkodzonych białek. Cytoszkielet buduje i podtrzymuje dendryty i aksony.
Neurofibryle To co 100 lat temu opisywano jako neurofibryle jest wewnątrzkomórkowymi, złożonymi polimerami białkowymi utworzonymi z neurotubul, mikrofilamentów i neurofilamentów. Elementy te tworzą szkielet komórki i jej wewnętrzny system transportu z ciała komórkowego do wypustek i odwrotnie.
Transport aksonalny Odbywa się wzdłuż mikrotubul Od ciała komórki do zakończeń aksonu (anterogradnie) przenoszone są pęcherzyki i mitochondria. Motorem molekularnym jest białko kinezyna. Transport wsteczny (retrogradny) przenosi ciałka wielopęcherzykowe, a w nich niektóre enzymy i substancje troficzne (n.p. BDNF), recyklowane błony pęcherzyków oraz zużyte organelle. Motorem molekularnym jest białko dyneina. Odkrywczynią wstecznego transportu aksonalnego była prof. Liliana Lubińska z Instytutu Nenckiego
Typy transportu aksonalnego odkomórkowego Szybki transport aksonalny (postępujący) - około 200-400 mm/ dobę. Transportuje substancje chemiczne otoczone błoną (pęcherzyki wydzielnicze), białka, czynniki troficzne. Z Szybkością około 2800 mm/dobę neurohormony z podwzgórza do przysadki. Wolny transport aksonalny transportuje w dół aksonu mitochondria, lizosomy i elementy cytoszkieletu z szybkością 1-12 mm/ dobę.
Działanie pompy sodowo-potasowej Pompa sodowo-potasowa jest szczególnym białkiem błonowym, obecnym we wszystkich komórkach, które przy użyciu energii pochodzącej z rozkładu ATP (trójfosforan adenozyny) usuwa z komórki 3 jony sodu, wprowadzając jednocześnie dwa jony potasu. Wytwarza to różnicę ładunków elektrycznych. Wnętrze wszystkich komórek ma ujemny ładunek w stosunku do otoczenia.
Kanały białkowe w błonie neuronu W błonę komórkową neuronu wbudowane są specyficzne białka kanały jonowe. Kanały chlorkowy i potasowy są zawsze otwarte, a odpowiednie jony przepływają przez nie zależnie od gradientu stężeń i potencjału. Kanał sodowy napięciowo zależny otwiera się jedynie wtedy, gdy potencjał zmniejszy się o pewną wielkość (gdy neuron się zdepolaryzuje).
Wzgórek aksonalny Depolaryzacja wzgórka aksonalnego zapoczątkowuje całkowitą depolaryzację neuronu i generację potencjału czynnościowego (iglicowego). Potencjały iglicowe generowane są na zasadzie wszystko albo nic i przekazywane wzdłuż aksonu do jego zakończeń.
Aby przekazać informację o pobudzeniu, aksony muszą stworzyć połączenia ze strukturą docelową. W obrębie tych połączeń (synaps) informacja zmienia nośnik z elektrycznego na chemiczny, a następnie po drugiej stronie synapsy znów generowana jest zmiana potencjału elektrycznego błony komórkowej.
Kolce dendrytyczne
Plastyczność kolców dendrytycznych Kolejne fotografie wykonano w odstępie 30 minut.
Budowa synapsy Po stronie presynaptycznej widoczne są pęcherzyki zawierające neurotransmiter. Pod wpływem impulsu nerwowego ich zawartość zostanie wydzielona do szczeliny synaptycznej, wiąże się ze specyficznym receptorem i zwiększa lub zmniejsza różnicę potencjału na błonie komórkowej.
Budowa i działanie synapsy chemicznej Impuls nerwowy dochodzący do zakończenia aksonu powoduje otwarcie kanałów wapniowych w błonie presynaptycznej. Napływ jonów wapnia do komórki sprawia, że obecne tam pęcherzyki synaptyczne sklejają się w tym miejscu z błoną komórkową i uwalniają swoją zawartość (neurotransmiter). Neurotransmiter łączy się z białkami specyficznie go wiążącymi (receptorami), co sprawia, że otwierają się lub zamykają kanały jonowe w błonie postsynaptycznej. Zmienia to wielkość potencjału na błonie komórkowej (postsynaptycznej).
Neuroprzekaźniki Pobudzeniowe glutaminian/asparaginian; acetylocholina (motoneurony); Hamulcowe kwas gamma-aminomasłowy (GABA), glicyna i tauryna. Neuromodulatory - noradrenalina, dopamina, serotonina, acetylocholina. Neuromodulatory nie zawsze wydzielane są na synapsch, a ich receptory też mogą się znajdować poza synapsami.
Komórki glejowe Pochodzą z tych samych komórek macierzystych (z ektodermy), co neurony (z wyjątkiem mikrogleju) Współtworzą strukturę układu nerwowego Kluczowa rola w metabolizmie mózgu (magazynują glukozę, wytwarzają kwas mlekowy) Kluczowa rola w rozwoju mózgu (glej radialny) Wytwarzają mielinę (oligodendrocyty, komórki Schwanna) Usuwają resztki obumarłych komórek (mikroglej - fagocytoza) Wytwarzają i przekazują do neuronów glutaminian Wspomagają przekazywanie sygnałów pomiędzy neuronami (glej wokół synaps) Tworzą barierę krew mózg (astrocyty) Funkcja troficzna uwalniają czynniki wzrostowe
TYPY KOMÓREK GLEJOWYCH UKŁADU NERWOWEGO Glej nabłonkowy ependymocyty (glej wyściółkowy) Glej właściwy astrocyty; protoplazmatyczne i włókniste, oligodendrocyty Mikroglej z układu odpornościowego Astrocyty
Astrocyty pochodzą z tych samych komórek macierzystych (z ektodermy), co neurony i współtworzą strukturę układu nerwowego Komórki astrogleju odgrywają ważną rolę w metabolizmie wielu neuroprzekazników (kwasu gamma-aminomasłowego GABA, glutaminianu, noradrenaliny, serotoniny) wychwytując je ze szczeliny synaptycznej i inaktywując Wytwarzają i przekazują do neuronów glutaminian Wspomagają przekazywanie sygnałów pomiędzy neuronami (glej wokół synaps) Mają funkcję troficzną uwalniają różne czynniki wzrostowe
Funkcja barierowa astrocytów Wypustki astrocytów dochodzą do przestrzeni okołonaczyniowej jako stopki naczynowe (vascular end feet), które współtworzą barierę krew mózg. Wypustki astrocytów dochodzą do opony miękkiej mózgu, jako stopki oponowe. Wypustki astrocytów dochodzą także do przewężeń Ranviera; tu mogą wpływać na przesyłanie impulsów.
Oligodendrocyty (glej skąpowypustkowy) Cytoplazma oligodendrocytów jest bogatsza w organelle, nie zawiera filamentów glejowych oraz ziarnistości glikogenu. Wypustki oligodendrocytów owijają się spiralnie wokół odcinków aksonów. Cytoplazma zostaje wyciśnięta z wypustki, a pozostała lipidowa błona komórkowa tworzy izolację elektryczną aksonu - mielinę.
Przewężenia Ranviera pomiędzy odcinkami mieliny
Zakończenie aksonu wyłaniające się z otoczki mielinowej W procesie mielinizacji liczne wypustki wielu oligodendrocytów obwijają spiralnie akson tworząc osłonkę mielinową. Jeden oligodendrocyt owija swoimi wypustkami wiele sąsiednich aksonów. W układzie nerwowym liczba oligodendrocytów jest 10-krotnie większa, niż neuronów.
Komórki mikrogleju Komórki mikrogleju pochodzą z monocytów krwi. W formie spoczynkowej mają kształt owalny lub nieregularny z kilkoma promieniście rozchodzącymi się wypustkami. W formie zaktywowanej tracą wypustki i stają się ameboidalne. Zaktywowany mikroglej ma zdolność wydzielania interleukiny-1, która wpływa na gliogenezę i angiogenezę.
Pytania 1. Co wyróżnia neurony spośród innych komórek i z jakich części są zbudowane. 2. Co wiesz o budowie i działaniu synapsy chemicznej. Jakie są funkcje różnych typów komórek glejowych.