Biologiczne podstawy zachowania

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?
(Twierdzenie Hodge’a 1894)
Zliczenia neuronów kory mózgu.
NIE
TAK
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









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
TAK, 10%. Pakkenberg  NIE. Siedmiu różnych
autorów (1994-2001),
& Gundersen 1997,
człowiek
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.