ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ

ΤΟΥ ΝΕΥΡΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

ΚΟΝΣΟΥΛΑΣ ΧΡΗΣΤΟΣ

Επίπεδα οργάνωσης: Γονίδια - Συμπεριφορά

Έσχατη πρόκληση των επιστημών της ζωής είναι η κατανόηση της βιολογικής βάσης της συνείδησης

και των νοητικών διεργασιών που αφορούν την αντίληψη, τη δράση, τη μνήμη και τη μάθηση.

Η συμπεριφορά (από την κίνηση ως την σκέψη και τα συναισθήματα) είναι το αποτέλεσμα

της εγκεφαλικής λειτουργίας.

Φρενολογία

(τα στοιχεία της συμπεριφοράς εδράζονται

σε συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου).

Franz Joseph Gall

(1758-1828)

Pierre Paul Broca

(1824 – 1880) Carl Wernicke

(1848 – 1905)

Βλάβη σε αριστερό μετωπιαίο και βρεγματικό λοβό

καταργεί κατανόηση και εκφορά λόγου

Korbinian Brodmann

(1868 – 1918)

Ανατομικές περιοχές φλοιού

Luigi Aloisio Galvani

(1737 – 1798)

Τα νεύρα διεγείρονται

με ηλεκτρικό ερεθισμό

Camillo Golgi

(1843 – 1926)

Santiago Ramón y Cajal

(1852 – 1934)

Χρώση νευρώνων Δόγμα του νευρώνα

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ

To κεντρικό νευρικό σύστημα (Κ.Ν.Σ. εγκέφαλος και νωτιαίος μυελός)

περιέχει ~100 δισεκατομύρια νευρώνες και 10-50 φορές περισσότερα γλοιακά

κύτταρα.

Το ΚΝΣ είναι ένα πολύπλοκο όργανο, ενώ για τον σχηματισμό του συμμετέχει

το ~40% των ανθρώπινων γονιδίων.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Ο αριθμός των νευρώνων και των συνδέσεων τους ενέχονται

για τον ασύλληπτο βαθμό λειτουργικής πολυπλοκότητας

Κυκλοφορικό σύστημα του εγκεφάλου

Υποστηρίζει λειτουργίες όπως:

Συναπτική δραστηριότητα

Ομοιόσταση των εξωκυττάριων υγρών

Μεταβολισμός της ενέργειας

Νευρική προστασία

Νευρώνες + Γλοιακά κύτταρα + τριχοειδή = λειτουργική μονάδα

Γλοιακά κύτταρα

Αστροκύτταρο

Ολιγοδενδροκύτταρο

Μικρογλοία

Κύτταρα Schwann

Ολιγοδενδροκύτταρα + Κύτταρα Schwann = Μυελίνη

Αστροκύτταρα = στήριξη, μεταβολισμός, αγωγή.

Μικρογλοία = ανοσολογική αντίδραση, εκκαθαριστές κυτταρικών

υπολειμμάτων

Σχέση νευρώνα-αστροκυττάρου και τριχοειδών

ΝΕΥΡΩΝΑΣ

προσυναπτικός

μετασυναπτικός

•Μορφολογία - Σχήμα

•Κατεύθυνση πληροφορίας

•Ολοκλήρωση σήματος (signal integration)

•Συνδέσεις - Συνάψεις

Μορφολογία

Το κυτταρικό σώμα φέρει τον πυρήνα

και τα οργανίδια.

Οι δενδρίτες λαμβάνουν και

επεξεργάζονται σήματα. Άκανθες.

Οι άξονες άγουν σήματα. Τελικές

απολήξεις. Μυελίνη/Κόμβοι Ranvier.

Μυελώδες Έλυτρο

ΚΝΣ, ΠΝΣ

N, node

PN, paranode

JPN, juxta paranode

IN, internode

Τασεοεξαρτώμενοι

δίαυλοι Να+

Τασεοεξαρτώμενοι

δίαυλοι K+

Μυελίνη και κατανομή

διαύλων στον κόμβο του

Ranvier

Μυελίνη

Aνάπτυξη δενδριτών

Το αρχιτεκτονικό σχέδιο του δενδριτικού

πεδίου ενός νευρώνα είναι γονιδιακά

καθορισμένο.

Τύποι νευρώνων

Πυραμιδοειδές κύτταρο

Κύτταρο Purkinje

της παρεγκεφαλίδας

Συνάψεις

Συνάψεις

SPINE

Συνάψεις

Τα μεμβρανικά οργανίδια κατανέμονται εκλεκτικά

Κυτταρικό σώμα και δενδρίτες:

Μιτοχόνδρια (παράγουν ΑΤP)

Υπεροξειδοσωμάτια (καταστρέφουν τοξίνες, Η2Ο2)

Κενοτοπιώδης συσκευή

(αδρό ε.δ., λείο ε.δ., Golgi, εκκριτικά κυστίδια,

ενδοσωμάτια, λυσοσωμάτια, άλλα κυστίδια).

Νευράξονας:

Δεν διαθέτει:

Ριβοσωμάτια, αδρό ε.δ., Golgi, λυσοσωμάτια

όχι πρωτεινοσύνθεση.

Διαθέτει:

Συναπτικά κυστίδια, μεμβράνες πρόδρομων

κυστιδίων, μιτοχόνδρια, ε.δ.

Κυτταρικός σκελετός

Ο κυτταροσκελετός καθορίζει το σχήμα και την κατανομή των οργανιδίων

Οι μικροσωληνίσκοι αποτελούνται από 13 πρωτονημάτια (ζεύγη υπομονάδων τομπουλίνης α και β),

διμερή με πολικότητα. Τα νευρονημάτια αποτελούνται από έλικες τομπουλίνης.

Τα μικρονημάτια αποτελούνται από πολυμερισμένα μονομερή σφαιροειδούς ακτίνης.

Κινησίνη

Μικροσωληνίσκοι στον Άξονα: - κοντά στο σώμα, δενδρίτες: + κοντά στο σώμα.

Πολικότητα νευρώνα

Είσοδος σημάτων (input)

Έξοδος σημάτων (output)

Συλλέγει πληροφορίες (είσοδος σημάτων).

Επεξεργάζεται πληροφορίες.

Παράγει απαντήσεις ανάλογα με τις πληροφορίες

που δέχτηκε (έξοδος σημάτων). ·

ΔΙΑΥΛΟΙ ΙΟΝΤΩΝ

Τα ιόντα ΔΕΝ μπορούν να διαχυθούν εκατέρωθεν των κυτταρικών μεμβρανών

Ενυδάτωση ιόντων

•Το άτομο του Ο2 προσελκύει ηλεκτρόνια,

άρα φέρει αρνητικό φορτίο.

•Τα άτομα του Η χάνουν ηλεκτρόνια,

άρα φέρουν θετικό φορτίο.

•Τα κατιόντα έλκονται ηλεκτροστατικά από το άτομο Ο-.

•Τα ανιόντα έλκονται ηλεκτροστατικά από τα άτομα Η+.

Δίαυλοι Ιόντων: Μεγάλες διαμεμβρανικές πρωτείνες

με υδατανθρακικές ομάδες στην επιφάνεια.

ΔΟΜΗ ΔΙΑΥΛΩΝ Νικοτινικός Υποδοχέας Ακετυλοχολίνης

*Γονίδια που κωδικεύουν διαύλους έχουν κλωνοποιηθεί

*Πρωτοταγής δoμή αμινοξέων γνωστή

*Μοντέλα δευτεροταγούς δομής (έλικες α, πτυχώσεις β)

Διάγραμμα Υδροπάθειας

Τρεις Οικογένειες Διαύλων

Τεχνική παγίδευσης περιοχής

ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ

Μεμβρανικό Δυναμικό Ηρεμίας

ΜΙΚΡΟ-ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟ

Νa+=145

Νa+=15 K+=4

K+=150 Ca+=1

Ca+=1.5 Mg+=1.5

Mg+=12

Cl-=110

Cl-=10

HCO3

-=24

HCO3

-=10

γλυκόζη=5.6 γλυκόζη=1

ATP=0 ATP=4

πρωτείνη=0.2

πρωτείνη=4

Pi=2

Pi=40

Διαφορές συγκέντρωσης ουσιών ΔΕΔΟΜΕΝΟ 1

Επιλεκτικότητα βιολογικών μεμβρανών

Ρυθμίζουν τον κυτταρικό όγκο και διατηρούν το pH και

την ιοντική σύσταση σε αυστηρά καθορισμένα όρια

Εισάγουν και εξάγουν μεταβολίτες και δομικά υλικά

Αποβάλλουν τοξικές ουσίες

Δημιουργούν και διατηρούν βαθμιδώσεις ιοντικών

συγκεντρώσεων απαραίτητες για την ηλεκτρική

διεγερσιμότητα μυικών και νευρικών κυττάρων

ΜΙΚΡΟ-ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΑ

Για την καταγραφή του δυναμικού της μεμβράνης των κυττάρων

Hλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης

Διαχωρισμός φορτίων εκατέρωθεν της μεμβράνης.

Κυτταρόπλασμα και εξωκυτταρικό υγρό είναι

ηλεκτρικά ουδέτερα.

ΔΕΔΟΜΕΝΟ 2

Η συγκέντρωση των ιόντων Κ+, Νa+, Cl- στο εσωτερικό των κυττάρων

διαφέρει από αυτή του εξωκυττάριου υγρού. “Yψηλό Κ+ εσωτερικά και

υψηλό Να+ και Cl- εξωτερικά του κυττάρου”

Τα ιόντα διασχίζουν την κυτταρική μεμβράνη μέσω των ιοντικών διαύλων.

Τα κύτταρα ανάλογα με τον τύπο των διαύλων που διαθέτουν εμφανίζουν

επιλεκτική διαπερατότητα.

Η διαπερατότητα της μεμβράνης σε ένα ιόν εξαρτάται από την ευκολία με

την οποία το συγκεκριμένο ιόν διέρχεται από τον αντίστοιχο δίαυλο και από

τον αριθμό αυτών των διαύλων στη μεμβράνη.

Η κυτταρική μεμβράνη ως πυκνωτής ΔΕΔΟΜΕΝΟ 3

Κ+, Δίαυλοι καλίου (παθητικοί ή διαρροής)

Η Δύναμη που οφείλεται στη διαβάθμιση συγκέντρωσης Κ+

γίνεται ίση και αντίθετη της δύναμης που οφείλεται στη

διαφορά δυναμικού της μεμβράνης.

Μεμβρανικό δυναμικό ηρεμίας μη διεγέρσιμων κυττάρων.

Κ+, Δίαυλοι καλίου (παθητικοί ή διαρροής)

Δύναμη που οφείλεται στη διαβάθμιση συγκέντρωσης Κ+

ίση και αντίθετη της δύναμης που οφείλεται στη διαφορά

δυναμικού της μεμβράνης.

To Δυναμικό ισορροπίας ιόντος (Εi, Nerst potential)

oρίζεται ως: Η τιμή του δυναμικού της μεμβράνης για την

οποία η δύναμη της διάχυσης εξισώνεται με την ηλεκτρική

δύναμη με αποτέλεσμα τα ιόντα (ενός τύπου αποκλειστικά)

που εξέρχονται λόγω διάχυσης να αντικαθίστανται πλήρως

από ιόντα που εισέρχονται λόγω της διαφοράς δυναμικού.

Μεμβρανικό δυναμικό μη διεγέρσιμων κυττάρων =

Δυναμικό ισορροπίας του Κ+.

Ei =

Nernst= Equilibrium potential (Δυναμικό ισορροπίας ιόντος)

R= gas constant (8,3 Joule/mole x K)

Τ= temperature in Kelvin (Tk=Tc + 273.5)

Z= vallence

F= Faraday constant (9,6 x 104 Coul/mole)

RT ZF

[i]o

[i]i In

Δυναμικό μεμβράνης

ΕNa= + 60 mV

[Na+]in = 15 mM

[Na+]out = 150 mM

Εκ

ΕΝα+

Οι νευρώνες και τα μυικά

κύτταρα διαθέτουν

παθητικούς διαύλους Κ+ αλλά

και παθητικούς διαύλους Νa+.

Δυναμικό ηρεμίας νευρώνα

ΕNa= + 60 mV

ΕΚ= - 90 mV

Vm= - 70 mV

Vm (mV)

Διαρροές ιόντων

Na+-K+/Pump 3Να+/2Κ+

Goldman

Vm= RT F

PK[K+]o

PK[K+]i In

PNa[Na+]o

PNa[Na+]i

PCl[Cl-]ι

PCl[Cl-]ο +

+

+

+

Membrane potential

Ηλεκτρικό μοντέλο

Νόμος του Ohm:

V = I R = I/G Vm= mV

Im= amps

Rm= ohm X cm2

Gm= siemens/cm2

Ix = Gx ( Vm – Ex ) Κινητήρια δύναμη = Gx ( Vm – Ex )

ΗΛΕΚΤΡΟΤΟΝΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ

ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΗΛΕΚΤΡΟΤΟΝΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ

ΗΛΕΚΤΡΟΤΟΝΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ

Αγωγή

Ιδιότητες

Δυναμικό Ενέργειας

Δυναμικό ενέργειας

Ταχύτητα διάνοιξης Αλλαγές στην αγωγιμότητα

Αδρανοποίηση διαύλων Νa+

Δυναμικό ενέργειας – Ανερέθιστη περίοδος

Απόλυτη Περίοδος Ανερεθιστότητας Δίαυλοι Να ανοικτοί ή απενεργοποιημένοι, Δίαυλοι Κ ανοικτοί

Σχετική Περίοδος Ανερεθιστότητας Δίαυλοι Να κλειστοί, Δίαυλοι Κ ανοικτοί

Διάδοση Δυναμικού Ενέργειας

Διάδοση Δυναμικού Ενέργειας Δυναμικό ενέργειας σε αμύελο άξονα

Δυναμικό ενέργειας σε εμμύελο άξονα