Neurobiologia 1

Neurobiologia
Program:
1. Wstęp. Historia badań układu nerwowego. Poziomy organizacji układu nerwowego.
2. Komórki mózgu – neuron i glej.
3. Siły chemiczne i elektryczne, równanie Nernsta.
4. Potencjał czynnościowy, teoria Hodgkina i Huxleya, prądy w komórkach nerwowych.
5. Propagacja impulsu - teoria kablowa.
6. Synapsy elektryczne i chemiczne. Złącze nerwowo – mięśniowe. Hipoteza kwantowa.
7. Procesy obliczeniowe w dendrytach. Model Ralla.
8. Zmysły – prawo energii własnych, receptory, transdukcja, kodowanie bodźca.
9. Zmysły chemiczne – smak. Kodowanie informacji smakowej.
10. Dualna natura węchu. Receptory węchowe, mapy zapachów. Feromony.
11. Czucie somatyczne, receptory skóry, czucie głębokie.
12. Obwody rdzenia kręgowego. Teoria bramkowania bólu. Reprezentacja czuciowa w korze mózgowej.
13. Propriocepcja i kinestezja.
14. Zmysł równowagi. Odruch przedsionkowo – oczny.
15. Słuch - dźwięki słyszalne, budowa i działanie ucha. Rezonansowa teoria Helmholtza, teoria fali
biegnącej, wzmacniacz ślimakowy.
16. Widzenie - spektrum EM, fotoreceptory, obwody siatkówki. Elektroretinogram (ERG), i
elektrookulogram (EOG). Widzenie barwne. Drogi wzrokowe. Kolumny orientacji przestrzennej.
Rozpoznawanie twarzy. Problem scalania. Gdzie powstaje świadomość?
Proponowane podręczniki:
G. Shepherd, Neurobiology
E. Kandel, Principles of Neural Science
D. Johnston i S. Wu Foudations of Cellular Neurophysiology
P. Nunez, Electric fields of the brain.
W.J. Freeman, Mass action in the nervous system.
A.Longstaff, Neurobiologia. Krótkie wykłady, PWN
G.G. Matthews, Neurobiologia. Od cząsteczek i komórek do układów, PZWL
Edwin Smith Surgical Papyrus – 1700 BC
(‘yś) - mózg
Michał Anioł. Stworzenie Adama (Fresk. Kaplica Sykstyńska,
Watykan, Rzym). 1510.
Meshberger, Frank Lynn. "An Interpretation of Michelangelo's Creation of Adam Based on
Neuroanatomy", JAMA. 1990 Oct 10; 264(14):1837-41.
Kroki w poznaniu mózgu
4000 BC
Zapisy Sumeryjskie – opis efektu zażycia opium
2700 BC
Początki akupunktury
3000 – 1700 BC
Starożytny Egipt. Pierwsze dokumenty medyczne opisujące urazy i
anatomię mózgu.
2000 BC
Trepanacje czaszek w pre-inkaskich cywilizacjach w Am. Płd.
600 – 400 BC
Filozofowie Greccy – źródłem duszy i umysłu jest mózg lub serce.
130 – 200 AD
Galen - początki fizjologii mózgu (4 płyny: krew, flegma, zółć,
czarna żółć)
1543
Vesalius – opis anatomii układu nerwowego (i żeber!). Mózg –
centrum umysłu i emocji
1673
Kartezjusz – mózg jako maszyna
1792
Galvani - elektryczna natura układu nerwowego (bioelektryczność!)
1870
Du Bois – Reymond – impulsy elektryczne
1891
Cajal i inni – układ nerwowy składa się z osobnych komórek neuronów
1897
Sherrington – komunikacja neuronów poprzez synapsy
Kroki w poznaniu mózgu - cd
Lata 20-ste
Langley, Loewi, Dale i inni - identyfikacja neurotransmiterów
Lata 40-ste
Shannon, Weaver i Wiener – powstaje teoria informacji i systemów
kontrolowanch (cybernetyka)
Lata 50-te
Hodgin, Huxley, Katz i Eccles – pomiary sygnałów elektrycznych z
użyciem mikroelektrod. Mikroskopia elektronowa ujawnia
szczegóły budowy neuronów i synaps.
Lata 50-te
Mountcastle, Lettvin, Hubel and Wisel – analiza pojedynczych
komórek ujawnia ‘jednostki percepcji’ w mózgu
Lata 60-te
Poznanie sumacyjnych własności dendrytów i obwodów
synaptycznych i przetwarzania informacji bez impulsów.
Lata 70-te
Poznanie neuromodulatorów i przekaźników II-go stopnia –
złożoność oddziaływań neuronalnych.
Lata 70-te
Komputerowe techniki obrazowania i lokalizacji funkcji
poznawczych mózgu
Lata 70-te
Molekularne metody analizy informacji genetycznej (rekombinacja
DNA) i pojedynczych białek w błonie neuronalnej (patch clamp).
Lata 80-te
Modele komputerowe układu nerwowego (wzrok, język, pamięć)
Lata 90-te i
obecne
„Dekada mózgu” – integracja informacji z różnych poziomów w
celu stworzenia pełnej teorii działania mózgu.
Kroki w poznaniu mózgu - cd
2000 i później
Kandel – zrozumienie mechanizmów pamięci
Sztuczny mózg:
1cm2 - Blue Brain Project
Mózg małego ssaka - C2 (IBM)
Inteligencja ssaka - MoNETA: A Mind Made from Memristors
Sztuczna siatkówka –
http://artificialretina.energy.gov/
Behavioural neuroscience: Rat navigation guided by remote
control. Sanjiv K. Talwar, Shaohua Xu, Emerson S. Hawley,
Shennan A. Weiss, Karen A. Moxon and John K. Chapin
Nature 417, 37-38(2 May 2002)
Poziomy organizacji układu nerwowego
m o to r
c entral
sensory
(b) Local populations, neuronal
networks
(b) Systems
motor
c ent ral
sensory
Dendrites
+
-
+
-
+
-
+
+
+
+
-
+
-
+
-
+
(a) Behaviour
Soma
Axon
(c) Single cells
(f) Genes
+
+
-
+
-
+
+
+
+
-
+
-
+
+
-
(e) Membranes, channels,
ions
(d) Synapses
Cel wykładu
Zrozumienie działania mózgu (naszego zachowania) wymaga
zrozumienia mechanizmów na wielu poziomach organizacji i
zrozumienia zależności pomiędzy tymi poziomami.
Podział układu nerwowego
Struktura układu nerwowego podzielona jest na:
Centralny Układ Nerwowy
- mózg
- rdzeń kręgowy
Obwodowy Układ Nerwowy
-nerwy korpusu i kończyn niosące informacje od/do
mózgu
W układzie nerwowym można wyróżnić dwie
funkcjonalne części:
-układ somatyczny - kieruje pracą mięśni szkieletowych,
gruczołów skórnych i komórek barwnikowych skóry.
-układ autonomiczny - unerwia narządy wewnętrzne
Obwodowy układ nerwowym można podzielić ze względu
na kierunek przekazywania impulsów:
-cześć sensoryczna
-część motoryczna
Brainstem – pień
mózgu
Midbrain –
śródmózgowie
Pons – most
Medulla oblongata –
rdzeń przedłużony
Cerebellum - móżdżek
Diencephalon międzymózgowie
Thalamus wzgórze
Diencephalon międzymózgowie
Hypothalamus podwzgórze
Limbic system –
system limbiczny
Hippocampus hipokamp
Lateral ventricle
– komora boczna
Basal Ganglia –
zwoje podstawy
Caudate – jądro
ogoniaste
Basal Ganglia –
zwoje podstawy
Caudate – jądro
ogoniaste
Putamen – skorupa
Striatum –
prążkowie = jądro
ogoniaste + skorupa
Amygdala – ciało
migdałowate
Cerebral Cortex –
kora mózgowa
White matter –
isotota biała
Frontal lobe –
płat czołowy
Temporal lobe –
płat skroniowy
Cerebral Cortex –
kora mózgowa
Grey matter –
isotota szara
Parietal lobe –
płat ciemieniowy
Occipital lobe –
płat potyliczny
Doktryna neuronu
Komórki móżdżku obserwowane
pod mikroskopem przez
Purkinjego, 1837
Motoneuron rdzenia kręgowego
obserwowany pod (ulepszonym)
mikroskopem przez Deitersa w 1865.
Widoczne dendryty (przedłużenia
protoplazmatyczne), ciało neuronu i
akson (cylinder osiowy – axis
cylinder)
Doktryna neuronu - cd
Camillo Golgi (1843 - 1926) w laboratorium
Preparat metodą Golgiego wykonany
obecnie
Golgi argumentował, że ilość połączeń
między neuronami jest tak wielka, że
prawa transmisji sygnałów pomiędzy
komórkami nie mogą być określone.
Wynika stąd, że sieć neuronów ma
postać ciągłą (teoria siatkowata).
Preparat wykonany przez Golgiego
Doktryna neuronu - cd
Santiago Ramon y Cajal (1852 – 1934)
Cajal ulepszył metodę barwienia
Golgiego, co pozwoliło mu
zaobserwować więcej szczegółów. Nie
znalazł potwierdzenia teorii
siatkowatej i zaproponował że układ
nerwowy zbudowany jest z osobnych
komórek nerwowych.
Struktura siatkówki. Rysunek Cajala (1900)
Doktryna neuronu - cd
Wilhelm Waldeyer, niemiecki profesor
anatomii i patologii, opublikował w 1891
artykuł z tezą, że teoria komórkowa stosuje
się również do układu nerwowego.
Waldeyer wprowadził termin ‘neuron’.
Jego teoria została ogólnie zaakceptowana i
nazwana ‘doktryną neuronu’.
Heinrich Wilhelm von Waldeyer-Hartz (1836-1921)
Nagroda Nobla z fizjologii i medycyny - 1906
Komórka nerwowa - neuron
Komórka nerwowa - neuron
Neurony
jednobiegunowe
Neuron dwubiegunowy
Średnica aksonu
(0,004 mm) do 100 micronów (.1 mm)
Średnica włosa
0,02 mm do 0,08 mm.
Neurony wielobiegunowe
Długość aksonu (1 mm) do ponad 1m
U ludzi:
Ok. 1011 neuronów w mózgu
Każdy neuron ok. 104 połączeń
Średnia długość aksonu w korze ok. 2 cm.
Całkowita długość aksonów A = 2*109 m
Odległość Ziemia – Księżyc L = 4* 108 m
A/L = 5
Komórka nerwowa - terminologia
Neurony posiadające
długi akson, który tworzy
połączenie z innym
rejonem układu
nerwowego nazywają się
neuronami projekcyjnymi,
neuronami głównymi i
komórkami
przekaźnikowymi.
Neurony wewnętrzne lub
interneurony znajdują się
w całości wewnątrz
jednego obszaru układu
nerwowego. Neurony
wewnętrzne mogą nie
posiadać aksonu.
Dendryty - terminologia
Neurony posiadają
zazwyczaj jeden akson
oraz wiele dendrytów.
Wyróżniamy dendryty
wierzchołkowe (apical) i
podstawne (basal).
Druga składowa układu nerwowego komórki gleju
Komórki glejowe
Komórki glejowe są drugim
głównym składnikiem układu
nerwowego. W niektórych
obszarach są 10 razy liczniejsze niż
neurony.
Najważniejszą rolą komórek
glejowych jest kontrolowanie
otoczenia neuronów. Są one
zaangażowane w wiele różnych
funkcji.
Rodzaje i funkcje gleju
•Astrocyty: największe i najliczniejsze. Ich funkcja to
podtrzymywanie fizyczne i odżywianie neuronów,
regulacja zawartości przestrzeni zewnątrzkomórkowej
- buforowanie jonów, regulacja neuroprzekaźnictwa
(pochłanianie neurotransmitera i zapobieganie dyfuzji
poza szczelinę synaptyczną), bariera krew – mózg (?).
•Microglia: składniki układu odpornościowego,
aktywne podczas stanów zapalnych, usuwają ‘zmarłe’
neurony.
•Oligodendrocyty: wytwarzają mielinę w neuronach
centralnego układu nerwowego.
•Komórki satelitarne (Satellite Cells):
podtrzymywanie fizyczne neuronów w obwodowym
układzie nerwowym
•Komórki Schwanna: wytwarzają mielinę w
neuronach obwodowego układu nerwowego.
Stwardnienie rozsiane (łac. sclerosis multiplex, SM) - demielinizacja włókien
nerwowych w obrębie mózgu i rdzenia kręgowego