Informace

35.2: Jak komunikují neurony - biologie


Rozvoj dovedností

  • Popište základ klidového membránového potenciálu
  • Vysvětlete fáze akčního potenciálu a způsob šíření akčních potenciálů
  • Vysvětlete podobnosti a rozdíly mezi chemickými a elektrickými synapsemi
  • Popište dlouhodobou potenciaci a dlouhodobou depresi

Všechny funkce prováděné nervovým systémem - od jednoduchého motorického reflexu po pokročilejší funkce, jako je vytváření paměti nebo rozhodování - vyžadují, aby neurony navzájem komunikovaly. Zatímco lidé ke komunikaci používají slova a řeč těla, neurony používají elektrické a chemické signály. Stejně jako osoba ve výboru, jeden neuron obvykle přijímá a syntetizuje zprávy z několika dalších neuronů, než „se rozhodne“ poslat zprávu dalším neuronům.

Nervový impulsní přenos v neuronu

Aby nervový systém fungoval, musí být neurony schopné vysílat a přijímat signály. Tyto signály jsou možné, protože každý neuron má nabitou buněčnou membránu (rozdíl napětí mezi vnitřní a vnější stranou) a náboj této membrány se může měnit v reakci na molekuly neurotransmiterů uvolňované z jiných neuronů a podněty prostředí. Abychom porozuměli tomu, jak neurony komunikují, musíme nejprve porozumět základu základního nebo „klidového“ membránového náboje.

Neuronální nabité membrány

Lipidová dvojvrstva obklopující neuron je nepropustná pro nabité molekuly nebo ionty. Pro vstup nebo výstup z neuronu musí ionty procházet speciálními proteiny nazývanými iontové kanály, které překlenují membránu. Ionové kanály mají různé konfigurace: otevřené, uzavřené a neaktivní, jak je znázorněno na obrázku ( PageIndex {1} ). Některé iontové kanály je třeba aktivovat, aby se otevřely a umožnily iontům procházet do nebo ven z buňky. Tyto iontové kanály jsou citlivé na prostředí a podle toho mohou měnit svůj tvar. Iontové kanály, které mění svou strukturu v reakci na změny napětí, se nazývají napěťově řízené iontové kanály. Napěťově řízené iontové kanály regulují relativní koncentrace různých iontů uvnitř i vně buňky. Rozdíl v celkovém náboji uvnitř a vně článku se nazývá membránový potenciál.

Odkaz na učení

Toto video pojednává o základech potenciálu klidové membrány.

Klidový potenciál membrány

Klidový neuron je záporně nabitý: vnitřek buňky je přibližně o 70 milivoltů negativnější než vnější část (−70 mV, toto číslo se liší podle typu neuronu a podle druhu). Toto napětí se nazývá klidový membránový potenciál; je to způsobeno rozdíly v koncentracích iontů uvnitř a vně buňky. Pokud by byla membrána stejně propustná pro všechny ionty, každý typ iontů by proudil přes membránu a systém by dosáhl rovnováhy. Vzhledem k tomu, že ionty nemohou libovolně jednoduše procházet membránou, existují různé koncentrace několika iontů uvnitř i vně buňky, jak ukazuje tabulka níže. Rozdíl v počtu kladně nabitých iontů draslíku (K+) uvnitř i vně buňky dominuje klidový membránový potenciál (obrázek ( PageIndex {2} )). Když je membrána v klidu, K+ ionty se hromadí uvnitř buňky v důsledku čistého pohybu s koncentračním gradientem. Negativní klidový membránový potenciál je vytvářen a udržován zvýšením koncentrace kationtů mimo buňku (v extracelulární tekutině) relativně uvnitř buňky (v cytoplazmě). Negativní náboj uvnitř buňky je vytvořen buněčnou membránou, která je propustnější pro pohyb iontů draslíku než pohyb iontů sodíku. V neuronech jsou ionty draslíku udržovány ve vysokých koncentracích v buňce, zatímco ionty sodíku jsou udržovány ve vysokých koncentracích mimo buňku. Buňka má kanály pro únik draslíku a sodíku, které umožňují dvěma kationtům difundovat po jejich koncentračním gradientu. Neurony však mají mnohem více kanálů úniku draslíku než kanálů úniku sodíku. Draslík proto difunduje z buňky mnohem rychleji, než do něj uniká sodík. Protože z buňky odchází více kationtů, než do ní vstupuje, způsobí to, že vnitřek buňky bude záporně nabitý vzhledem k vnější části buňky. Činnost sodno -draselné pumpy pomáhá udržovat klidový potenciál, jakmile je zaveden. Připomeňme, že sodno -draselné pumpy přinášejí dvě K.+ ionty do buňky a přitom odstranit tři Na+ spotřebované ionty na ATP. Vzhledem k tomu, že je z buňky vypuštěno více kationtů, než je přijato, zůstává vnitřek buňky ve srovnání s extracelulární tekutinou negativně nabitý. Je třeba poznamenat, že ionty vápníku (Cl) mají tendenci se hromadit mimo buňku, protože jsou odpuzovány záporně nabitými proteiny v cytoplazmě.

Tabulka ( PageIndex {1} ): Koncentrace iontů uvnitř a vně neuronů. Klidový membránový potenciál je výsledkem různých koncentrací uvnitř a vně buňky.

IonExtracelulární koncentrace (mM)Intracelulární koncentrace (mM)Poměr venku/uvnitř
Na+1451212
K+41550.026
Cl−120430
Organické anionty (A−)100

Akční potenciál

Neuron může přijímat vstup od jiných neuronů, a pokud je tento vstup dostatečně silný, odeslat signál do neuronů po proudu. Přenos signálu mezi neurony je obecně nesen chemikálií nazývanou neurotransmiter. Přenos signálu v neuronu (z dendritu na axonový terminál) se provádí krátkým obrácením klidového membránového potenciálu nazývaného akční potenciál. Když se molekuly neurotransmiterů vážou na receptory umístěné na dendritech neuronu, otevřou se iontové kanály. U excitačních synapsí tento otvor umožňuje vstup pozitivních iontů do neuronu a vede k depolarizaci membrány - snížení rozdílu napětí mezi vnitřkem a vně neuronu. Podnět ze senzorické buňky nebo jiného neuronu depolarizuje cílový neuron na jeho prahový potenciál (-55 mV). Na+ kanály v kopci axonu se otevřou, což umožní kladným iontům vstoupit do buňky (Obrázek ( PageIndex {3} ) a Obrázek ( PageIndex {4} )). Jakmile se sodíkové kanály otevřou, neuron se zcela depolarizuje na membránový potenciál asi +40 mV. Akční potenciály jsou považovány za událost „vše nebo nic“, protože jakmile je dosaženo prahového potenciálu, neuron vždy zcela depolarizuje. Jakmile je depolarizace dokončena, buňka nyní musí „resetovat“ své membránové napětí zpět na klidový potenciál. Aby toho bylo dosaženo, Na+ kanály se zavírají a nelze je otevřít. Tím začíná refrakterní období neuronu, ve kterém nemůže produkovat další akční potenciál, protože jeho sodíkové kanály se neotevřou. Současně napěťově řízená K+ kanály otevřené, což umožňuje K.+ opustit celu. Dotázat se+ ionty opouštějí buňku, membránový potenciál se opět stává záporným. Difúze K+ z buňky ve skutečnosti buňku hyperpolarizuje, protože membránový potenciál se stává negativnějším než normální klidový potenciál buňky. V tomto okamžiku se sodíkové kanály vrátí do klidového stavu, což znamená, že jsou připraveny se znovu otevřít, pokud membránový potenciál opět překročí prahový potenciál. Nakonec extra K+ ionty difundují z buňky kanály úniku draslíku, čímž se buňka vrací z hyperpolarizovaného stavu zpět do klidového membránového potenciálu.

Art Connection

Blokátory draslíkových kanálů, jako je amiodaron a prokainamid, které se používají k léčbě abnormální elektrické aktivity v srdci, nazývané srdeční arytmie, brání pohybu K+ prostřednictvím napěťově řízených K+ kanálů. Kterou část akčního potenciálu byste podle očekávání ovlivnili draslíkové kanály?

Odkaz na učení

Toto video představuje přehled akčního potenciálu.

Myelin a šíření akčního potenciálu

Aby akční potenciál mohl sdělit informaci jinému neuronu, musí cestovat podél axonu a dosáhnout terminálů axonů, kde může zahájit uvolňování neurotransmiteru. Rychlost vedení akčního potenciálu podél axonu je ovlivněna jak průměrem axonu, tak odporem axonu vůči úniku proudu. Myelin funguje jako izolátor, který brání proudu opustit axon; tím se zvyšuje rychlost vedení akčního potenciálu. U demyelinizačních chorob, jako je roztroušená skleróza, se vedení akčního potenciálu zpomaluje, protože proud uniká z dříve izolovaných oblastí axonů. Uzly Ranvier, znázorněné na obrázku ( PageIndex {5} ), jsou mezery v myelinové pochvě podél axonu. Tyto nemyelinizované prostory jsou asi jeden mikrometr dlouhé a obsahují napěťově řízený Na+ a K.+ kanály. Tok iontů těmito kanály, zejména Na+ kanály, regeneruje akční potenciál znovu a znovu podél axonu. Toto „skákání“ akčního potenciálu z jednoho uzlu do druhého se nazývá slané vedení. Pokud by Ranvierovy uzly nebyly přítomny podél axonu, akční potenciál by se od Na šířil velmi pomalu+ a K.+ kanály by musely nepřetržitě regenerovat akční potenciály v každém bodě podél axonu místo v konkrétních bodech. Uzly Ranvier také šetří energii pro neuron, protože kanály musí být přítomny pouze v uzlech a ne podél celého axonu.

Synaptický přenos

Synapse nebo „mezera“ je místo, kde jsou informace přenášeny z jednoho neuronu do druhého. Synapse se obvykle tvoří mezi axonovými terminály a dendritickými trny, ale není to všeobecně pravda. Existují také synapse těla axon-to-axon, dendrite-to-dendrite a axon-to-cell. Neuron přenášející signál se nazývá presynaptický neuron a neuron přijímající signál se nazývá postsynaptický neuron. Všimněte si, že tato označení jsou relativní ke konkrétní synapse - většina neuronů je presynaptická i postsynaptická. Existují dva typy synapsí: chemická a elektrická.

Chemická synapse

Když akční potenciál dosáhne terminálu axonu, depolarizuje membránu a otevře napěťově řízený Na+ kanály. Na+ ionty vstupují do buňky a dále depolarizují presynaptickou membránu. Tato depolarizace způsobuje napěťově řízený Ca2+ kanály k otevření. Vápenaté ionty vstupující do buňky zahajují signální kaskádu, která způsobuje fúzi malých membránově vázaných váčků, nazývaných synaptické váčky, obsahující molekuly neurotransmiterů s presynaptickou membránou. Synaptické vezikuly jsou znázorněny na obrázku ( PageIndex {6} ), což je obrázek ze skenovacího elektronového mikroskopu.

Fúze váčku s presynaptickou membránou způsobí uvolnění neurotransmiteru do synaptické štěrbiny, extracelulárního prostoru mezi presynaptickou a postsynaptickou membránou, jak je znázorněno na obrázku ( PageIndex {7} ). Neurotransmiter difunduje přes synaptickou štěrbinu a váže se na receptorové proteiny na postsynaptické membráně.

Vazba specifického neurotransmiteru způsobí, že se na postsynaptické membráně otevřou konkrétní iontové kanály, v tomto případě ligandem řízené kanály. Neurotransmitery mohou mít buď excitační nebo inhibiční účinky na postsynaptickou membránu, jak je podrobně uvedeno v tabulce níže. Například když je acetylcholin uvolňován na synapsi mezi nervem a svalem (nazývanou neuromuskulární spojení) presynaptickým neuronem, způsobí to postsynaptický Na+ kanály k otevření. Na+ vstupuje do postsynaptické buňky a způsobuje depolarizaci postsynaptické membrány. Tato depolarizace se nazývá excitační postsynaptický potenciál (EPSP) a zvyšuje pravděpodobnost, že postsynaptický neuron vystřelí akční potenciál. Uvolnění neurotransmiteru na inhibičních synapsích způsobuje inhibiční postsynaptické potenciály (IPSP), což je hyperpolarizace presynaptické membrány. Například když se neurotransmiter GABA (kyselina gama-aminomáselná) uvolní z presynaptického neuronu, váže se na Cl a otevírá jej- kanály. Cl- ionty vstupují do buňky a hyperpolarizují membránu, čímž je neuron méně pravděpodobný, že vystřelí akční potenciál.

Jakmile dojde k neurotransmisi, musí být neurotransmiter odstraněn ze synaptické štěrbiny, aby se postsynaptická membrána mohla „resetovat“ a být připravena přijímat další signál. Toho lze dosáhnout třemi způsoby: neurotransmiter může difundovat pryč od synaptické štěrbiny, může být degradován enzymy v synaptické štěrbině nebo může být recyklován (někdy nazýván zpětné vychytávání) presynaptickým neuronem. V tomto kroku neurotransmise působí několik léků. Například některá léčiva podávaná pacientům s Alzheimerovou chorobou působí inhibicí acetylcholinesterázy, enzymu, který degraduje acetylcholin. Tato inhibice enzymu v podstatě zvyšuje neurotransmisi v synapsích, které uvolňují acetylcholin. Po uvolnění zůstává acetylcholin v rozštěpu a může se kontinuálně vázat a vázat na postsynaptické receptory.

Tabulka ( PageIndex {2} ): Funkce a umístění neurotransmiteru
NeurotransmiterPříkladUmístění
AcetylcholinCNS a/nebo PNS
Biogenní aminDopamin, serotonin, norepinefrinCNS a/nebo PNS
AminokyselinaGlycin, glutamát, aspartát, kyselina gama aminomáselnáCNS
NeuropeptidLátka P, endorfinyCNS a/nebo PNS

Elektrická synapse

Přestože počet elektrických synapsí je menší než synapsí chemických, nacházejí se ve všech nervových systémech a hrají důležité a jedinečné role. Způsob neurotransmise v elektrických synapsích je zcela odlišný od režimu v chemických synapsích. V elektrické synapse jsou presynaptické a postsynaptické membrány velmi blízko sebe a jsou ve skutečnosti fyzicky spojeny kanálovými proteiny tvořícími mezerové spoje. Mezery umožňují průchod proudu přímo z jedné buňky do druhé. Kromě iontů, které tento proud nesou, mohou dalšími molekulami, jako je ATP, difundovat přes velké póry křižovatky.

Mezi chemickými a elektrickými synapsemi existují klíčové rozdíly. Protože chemické synapsí závisí na uvolňování molekul neurotransmiterů ze synaptických vezikul k přenosu jejich signálu, existuje přibližně jedno milisekundové zpoždění mezi tím, kdy potenciál axonů dosáhne presynaptického terminálu a kdy neurotransmiter vede k otevření postsynaptických iontových kanálů. Tato signalizace je navíc jednosměrná. Naproti tomu signalizace v elektrických synapsích je prakticky okamžitá (což je důležité u synapsí zapojených do klíčových reflexů) a některé elektrické synapsy jsou obousměrné. Elektrické synapse jsou také spolehlivější, protože je méně pravděpodobné, že budou blokovány, a jsou důležité pro synchronizaci elektrické aktivity skupiny neuronů. Například se předpokládá, že elektrické synapse v thalamu regulují spánek s pomalými vlnami a narušení těchto synapsí může způsobit záchvaty.

Souhrn signálu

Někdy je jeden EPSP dostatečně silný, aby vyvolal akční potenciál v postsynaptickém neuronu, ale často musí více presynaptických vstupů vytvářet EPSP přibližně ve stejnou dobu, aby byl postsynaptický neuron dostatečně depolarizován, aby vystřelil akční potenciál. Tento proces se nazývá součet a probíhá na kopci axonu, jak je znázorněno na obrázku ( PageIndex {8} ). Navíc jeden neuron má často vstupy z mnoha presynaptických neuronů - některé excitační a některé inhibiční - takže IPSP mohou zrušit EPSP a naopak. Je to čistá změna v postsynaptickém membránovém napětí, která určuje, zda postsynaptický článek dosáhl svého prahu excitace potřebného k vystřelení akčního potenciálu. Synaptické součty a prahová hodnota buzení společně fungují jako filtr, takže náhodný „šum“ v systému není přenášen jako důležitá informace.

Každodenní připojení: Rozhraní mozek-počítač

Amyotrofická laterální skleróza (ALS, také nazývaná Lou Gehrigova choroba) je neurologické onemocnění charakterizované degenerací motorických neuronů, které kontrolují dobrovolné pohyby. Nemoc začíná oslabením svalů a nedostatečnou koordinací a nakonec ničí neurony, které ovládají řeč, dýchání a polykání; na konci může nemoc vést k paralýze. V tu chvíli pacienti potřebují pomoc strojů, aby mohli dýchat a komunikovat. Bylo vyvinuto několik speciálních technologií, které umožňují „uzamčeným“ pacientům komunikovat se zbytkem světa. Jedna technologie například umožňuje pacientům psát věty škubnutím tváře. Tyto věty je pak možné nahlas přečíst na počítači.

Relativně nová řada výzkumu, která pomáhá paralyzovaným pacientům, včetně pacientů s ALS, komunikovat a udržovat si určitou míru soběstačnosti, se nazývá technologie rozhraní mozku a počítače (BCI) a je znázorněna na obrázku ( PageIndex {9} ) . Tato technologie zní jako něco ze sci -fi: umožňuje ochrnutým pacientům ovládat počítač pouze pomocí svých myšlenek. Existuje několik forem BCI. Některé formy používají EEG záznamy z elektrod nalepených na lebce. Tyto nahrávky obsahují informace z velké populace neuronů, které lze dekódovat počítačem. Jiné formy BCI vyžadují implantaci řady elektrod menších než poštovní známka v oblasti paže a ruky motorické kůry. Tato forma BCI, přestože je invazivnější, je velmi silná, protože každá elektroda může zaznamenávat skutečné akční potenciály z jednoho nebo více neuronů. Tyto signály jsou poté odeslány do počítače, který byl vyškolen k dekódování signálu a jeho přenosu do nástroje - například kurzoru na obrazovce počítače. To znamená, že pacient s ALS může používat e-mail, číst na internetu a komunikovat s ostatními tím, že přemýšlí o pohybu rukou nebo paží (i když paralyzovaný pacient nemůže provést tento tělesný pohyb). Nedávné pokroky umožnily paralyzované uzamčené pacientce, která před 15 lety prodělala mozkovou mrtvici, ovládat robotickou ruku a dokonce se sama krmit kávou pomocí technologie BCI.

Navzdory úžasnému pokroku v technologii BCI má také omezení. Tato technologie může vyžadovat mnoho hodin tréninku a dlouhé období intenzivní koncentrace pro pacienta; může také vyžadovat operaci mozku k implantaci zařízení.

Odkaz na učení

Podívejte se na toto video, ve kterém paralyzovaná žena pomocí robotické paže ovládané mozkem přinese nápoj do úst, mimo jiné snímky technologie rozhraní mozek-počítač v akci.

Synaptická plasticita

Synapse nejsou statické struktury. Mohou být oslabeny nebo posíleny. Mohou být zlomeny a mohou být vytvořeny nové synapse.Synaptická plasticita umožňuje tyto změny, které jsou všechny potřebné pro fungující nervový systém. Synaptická plasticita je ve skutečnosti základem učení a paměti. Zejména dva procesy, dlouhodobá potenciace (LTP) a dlouhodobá deprese (LTD) jsou důležitými formami synaptické plasticity, které se vyskytují v synapsích v hippocampu, oblasti mozku, která se podílí na ukládání vzpomínek.

Dlouhodobá potenciace (LTP)

Dlouhodobá potenciace (LTP) je trvalé posilování synaptického spojení. LTP je založen na principu Hebbian: buňky, které společně střílejí, se spojují dohromady. Za synaptickým posilováním pozorovaným u LTP jsou různé mechanismy, žádný není zcela pochopen. Jeden známý mechanismus zahrnuje typ postsynaptického glutamátového receptoru, nazývaný receptory NMDA (N-methyl-D-aspartát), znázorněný na obrázku 35.2.10. Tyto receptory jsou normálně blokovány ionty hořčíku; když je však postsynaptický neuron depolarizován více presynaptickými vstupy v rychlém sledu (buď z jednoho neuronu, nebo z více neuronů), ionty hořčíku jsou vytlačeny ven, což umožňuje iontům Ca přejít do postsynaptické buňky. Dále, Ca2+ ionty vstupující do buňky iniciují signální kaskádu, která způsobí, že se do postsynaptické membrány vloží jiný typ receptoru glutamátu, nazývaný receptory AMPA (kyselina α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionová), protože aktivovaný AMPA receptory umožňují vstup pozitivních iontů do buňky. Takže příště, až bude glutamát uvolněn z presynaptické membrány, bude mít větší excitační účinek (EPSP) na postsynaptickou buňku, protože vazba glutamátu na tyto AMPA receptory umožní více pozitivních iontů do buňky. Vložení dalších AMPA receptorů posiluje synapsi a znamená, že postsynaptický neuron pravděpodobněji vystřelí v reakci na uvolnění presynaptického neurotransmiteru. Některé drogy zneužívající kooptují cestu LTP a toto synaptické posilování může vést k závislosti.

Dlouhodobá deprese (LTD)

Dlouhodobá deprese (LTD) je v podstatě opakem LTP: jde o dlouhodobé oslabení synaptického spojení. Jeden mechanismus, o kterém je známo, že způsobuje LTD, také zahrnuje receptory AMPA. V této situaci vápník, který vstupuje přes receptory NMDA, iniciuje jinou signální kaskádu, což má za následek odstranění AMPA receptorů z postsynaptické membrány, jak je znázorněno na obrázku ( PageIndex {10} ). Pokles AMPA receptorů v membráně činí postsynaptický neuron méně citlivým na glutamát uvolněný z presynaptického neuronu. I když se to může zdát neintuitivní, LTD může být pro učení a paměť stejně důležité jako LTP. Oslabení a prořezávání nepoužívaných synapsí umožňuje ztrátu nedůležitých spojení a díky tomu jsou synapse, které prošly LTP, ve srovnání mnohem silnější.

Souhrn

Neurony mají nabité membrány, protože uvnitř i vně buňky jsou různé koncentrace iontů. Napěťově řízené iontové kanály řídí pohyb iontů do a ven z neuronu. Když je neuronální membrána depolarizována alespoň na práh excitace, je aktivován akční potenciál. Akční potenciál se pak šíří po myelinizovaném axonu k axonovým terminálům. V chemické synapse akční potenciál způsobuje uvolnění molekul neurotransmiterů do synaptické štěrbiny. Vazbou na postsynaptické receptory může neurotransmiter způsobit excitační nebo inhibiční postsynaptické potenciály depolarizací, respektive hyperpolarizací postsynaptické membrány. V elektrických synapsích je akční potenciál přímo přenášen na postsynaptickou buňku prostřednictvím mezerových spojení-velkokanálových proteinů, které spojují pre- a postsynaptické membrány. Synapse nejsou statické struktury a lze je posilovat a oslabovat. Dva mechanismy synaptické plasticity jsou dlouhodobá potenciace a dlouhodobá deprese.

Art Connections

[odkaz] Blokátory draslíkových kanálů, jako je amiodaron a prokainamid, které se používají k léčbě abnormální elektrické aktivity v srdci, nazývané srdeční arytmie, brání pohybu K+ prostřednictvím napěťově řízených K+ kanálů. Kterou část akčního potenciálu byste podle očekávání ovlivnili draslíkové kanály?

[odkaz] Blokátory draslíkových kanálů zpomalují repolarizační fázi, ale nemají žádný vliv na depolarizaci.

Glosář

akční potenciál
samovolně se šířící momentální změna elektrického potenciálu neuronové (nebo svalové) membrány
depolarizace
změna membránového potenciálu na méně zápornou hodnotu
excitační postsynaptický potenciál (EPSP)
depolarizace postsynaptické membrány způsobená molekulami neurotransmiterů uvolněných z presynaptické buňky
hyperpolarizace
změna membránového potenciálu na zápornější hodnotu
inhibiční postsynaptický potenciál (IPSP)
hyperpolarizace postsynaptické membrány způsobená molekulami neurotransmiterů uvolněných z presynaptické buňky
dlouhodobá deprese (LTD)
prodloužený pokles synaptické vazby mezi pre- a postsynaptickou buňkou
dlouhodobá potenciace (LTP)
prodloužené zvýšení synaptické vazby mezi pre- a postsynaptickou buňkou
membránový potenciál
rozdíl v elektrickém potenciálu uvnitř a vně článku
žáruvzdorné období
období po akčním potenciálu, kdy je obtížnější nebo nemožné vystřelit akční potenciál; způsobené inaktivací sodíkových kanálů a aktivací dalších draslíkových kanálů membrány
slané vedení
„Skákání“ akčního potenciálu podél axonu z jednoho Ranvierova uzlu do druhého
shrnutí
proces více presynaptických vstupů vytvářejících EPSP přibližně ve stejnou dobu, aby byl postsynaptický neuron dostatečně depolarizován, aby vystřelil akční potenciál
synaptická štěrbina
prostor mezi presynaptickou a postsynaptickou membránou
synaptický váček
kulová struktura, která obsahuje neurotransmiter
práh buzení
úroveň depolarizace potřebná ke spuštění akčního potenciálu

16.2 Jak komunikují neurony

Všechny funkce prováděné nervovým systémem - od jednoduchého motorického reflexu po pokročilejší funkce, jako je vytváření paměti nebo rozhodování - vyžadují, aby neurony navzájem komunikovaly. Zatímco lidé ke komunikaci používají slova a řeč těla, neurony používají elektrické a chemické signály. Stejně jako osoba ve výboru, jeden neuron obvykle přijímá a syntetizuje zprávy z několika dalších neuronů, než „se rozhodne“ poslat zprávu dalším neuronům.


Nervový impulsní přenos v neuronu

Aby nervový systém fungoval, musí být neurony schopné vysílat a přijímat signály. Tyto signály jsou možné, protože každý neuron má nabitou buněčnou membránu (rozdíl napětí mezi vnitřní a vnější stranou) a náboj této membrány se může měnit v reakci na molekuly neurotransmiterů uvolňované z jiných neuronů a podněty prostředí. Abychom porozuměli tomu, jak neurony komunikují, musíme nejprve porozumět základu základního nebo „klidového“ membránového náboje.


183 Jak komunikují neurony

Na konci této části budete moci provést následující:

  • Popište základ klidového membránového potenciálu
  • Vysvětlete fáze akčního potenciálu a způsob šíření akčních potenciálů
  • Vysvětlete podobnosti a rozdíly mezi chemickými a elektrickými synapsemi
  • Popište dlouhodobou potenciaci a dlouhodobou depresi

Všechny funkce prováděné nervovým systémem - od jednoduchého motorického reflexu po pokročilejší funkce, jako je vytváření paměti nebo rozhodování - vyžadují, aby neurony navzájem komunikovaly. Zatímco lidé ke komunikaci používají slova a řeč těla, neurony používají elektrické a chemické signály. Stejně jako osoba ve výboru, jeden neuron obvykle přijímá a syntetizuje zprávy z několika dalších neuronů, než „se rozhodne“ poslat zprávu dalším neuronům.

Nervový impulsní přenos v neuronu

Aby nervový systém fungoval, musí být neurony schopné vysílat a přijímat signály. Tyto signály jsou možné, protože každý neuron má nabitou buněčnou membránu (rozdíl napětí mezi vnitřní a vnější stranou) a náboj této membrány se může měnit v reakci na molekuly neurotransmiterů uvolňované z jiných neuronů a podněty prostředí. Abychom porozuměli tomu, jak neurony komunikují, musíme nejprve porozumět základu základního nebo „klidového“ membránového náboje.

Neuronální nabité membrány

Lipidová dvojvrstva obklopující neuron je nepropustná pro nabité molekuly nebo ionty. Pro vstup nebo výstup z neuronu musí ionty procházet speciálními proteiny nazývanými iontové kanály, které překlenují membránu. Ionové kanály mají různé konfigurace: otevřené, uzavřené a neaktivní, jak je znázorněno na (Obrázek). Některé iontové kanály je třeba aktivovat, aby se otevřely a umožnily iontům procházet do nebo ven z buňky. Tyto iontové kanály jsou citlivé na prostředí a podle toho mohou měnit svůj tvar. Iontové kanály, které mění svou strukturu v reakci na změny napětí, se nazývají napěťově řízené iontové kanály. Napěťově řízené iontové kanály regulují relativní koncentrace různých iontů uvnitř i vně buňky. Rozdíl v celkovém náboji uvnitř a vně článku se nazývá membránový potenciál.


Toto video pojednává o základech potenciálu klidové membrány.

Klidový potenciál membrány

Klidový neuron je záporně nabitý: vnitřek buňky je přibližně o 70 milivoltů negativnější než vnější část (−70 mV, toto číslo se liší podle typu neuronu a podle druhu). Toto napětí se nazývá klidový membránový potenciál, je způsobeno rozdíly v koncentracích iontů uvnitř a vně buňky. Pokud by byla membrána stejně propustná pro všechny ionty, každý typ iontů by proudil přes membránu a systém by dosáhl rovnováhy. Protože ionty nemohou jednoduše procházet membránou podle libosti, existují různé koncentrace několika iontů uvnitř i vně buňky, jak ukazuje (obrázek). Rozdíl v počtu kladně nabitých iontů draslíku (K +) uvnitř a vně buňky dominuje potenciálu klidové membrány ((obrázek)). Když je membrána v klidu, ionty K + se hromadí uvnitř buňky v důsledku čistého pohybu s koncentračním gradientem. Negativní klidový membránový potenciál je vytvářen a udržován zvýšením koncentrace kationtů mimo buňku (v extracelulární tekutině) relativně uvnitř buňky (v cytoplazmě). Negativní náboj uvnitř buňky je vytvořen buněčnou membránou, která je propustnější pro pohyb iontů draslíku než pohyb iontů sodíku. V neuronech jsou ionty draslíku udržovány ve vysokých koncentracích v buňce, zatímco ionty sodíku jsou udržovány ve vysokých koncentracích mimo buňku. Buňka má kanály pro únik draslíku a sodíku, které umožňují dvěma kationtům difundovat po jejich koncentračním gradientu. Neurony však mají mnohem více kanálů úniku draslíku než kanálů úniku sodíku. Draslík proto difunduje z buňky mnohem rychleji, než do něj uniká sodík. Protože z buňky odchází více kationtů, než do ní vstupuje, způsobí to, že vnitřek buňky bude záporně nabitý vzhledem k vnější části buňky. Činnost sodno -draselné pumpy pomáhá udržovat klidový potenciál, jakmile je zaveden. Připomeňme si, že sodíkové draselné pumpy přivádějí do buňky dva ionty K + a současně odebírají tři ionty Na + na spotřebovaný ATP. Vzhledem k tomu, že je z buňky vypuštěno více kationtů, než je přijato, zůstává vnitřek buňky ve srovnání s extracelulární tekutinou negativně nabitý. Je třeba poznamenat, že chloridové ionty (Cl-) mají tendenci se hromadit mimo buňku, protože jsou odpuzovány záporně nabitými proteiny v cytoplazmě.

Klidový membránový potenciál je výsledkem různých koncentrací uvnitř a vně buňky.
Koncentrace iontů uvnitř a vně neuronů
Ion Extracelulární koncentrace (mM) Intracelulární koncentrace (mM) Poměr venku/uvnitř
Na + 145 12 12
K+ 4 155 0.026
Cl - 120 4 30
Organické anionty (A−) 100


Akční potenciál

Neuron může přijímat vstup od jiných neuronů, a pokud je tento vstup dostatečně silný, odeslat signál do neuronů po proudu. Přenos signálu mezi neurony je obecně nesen chemikálií nazývanou neurotransmiter. Přenos signálu v neuronu (z dendritu na axonový terminál) se provádí krátkým obrácením klidového membránového potenciálu nazývaného akční potenciál. Když se molekuly neurotransmiterů vážou na receptory umístěné na dendritech neuronu, otevřou se iontové kanály. U excitačních synapsí tento otvor umožňuje vstup pozitivních iontů do neuronu a vede k depolarizaci membrány - snížení rozdílu napětí mezi vnitřkem a vně neuronu. Podnět ze senzorické buňky nebo jiného neuronu depolarizuje cílový neuron na jeho prahový potenciál (-55 mV). Kanály Na + v pahorku axonu se otevírají, což umožňuje pozitivním iontům vstoupit do buňky ((obrázek) a (obrázek)). Jakmile se sodíkové kanály otevřou, neuron se zcela depolarizuje na membránový potenciál asi +40 mV. Akční potenciály jsou považovány za událost “all-or nothing ”, protože jakmile je dosaženo prahového potenciálu, neuron vždy zcela depolarizuje. Jakmile je depolarizace dokončena, článek se nyní musí “resetovat ” své membránové napětí zpět na klidový potenciál. Za tímto účelem se kanály Na + zavírají a nelze je otevřít. Začíná to refrakterní období neuronů, ve kterém nemůže produkovat další akční potenciál, protože jeho sodíkové kanály se neotevřou. Současně se otevírají napěťově řízené K + kanály, což K + umožňuje opustit buňku. Jak ionty K + opouštějí buňku, membránový potenciál se opět stává záporným. Difúze K + z buňky ve skutečnosti buňku hyperpolarizuje, protože membránový potenciál se stává negativnějším než normální klidový potenciál buňky. V tomto okamžiku se sodíkové kanály vrátí do klidového stavu, což znamená, že jsou připraveny se znovu otevřít, pokud membránový potenciál opět překročí prahový potenciál. Nakonec extra K + ionty difundují ven z buňky kanály úniku draslíku, čímž se buňka dostane z hyperpolarizovaného stavu zpět do klidového membránového potenciálu.


Blokátory draslíkových kanálů, jako je amiodaron a prokainamid, které se používají k léčbě abnormální elektrické aktivity v srdci, nazývané srdeční arytmie, brání pohybu K + prostřednictvím napěťově řízených K + kanálů. Kterou část akčního potenciálu byste podle očekávání ovlivnili draslíkové kanály?


Toto video představuje přehled akčního potenciálu.

Myelin a šíření akčního potenciálu

Aby akční potenciál mohl sdělit informaci jinému neuronu, musí cestovat podél axonu a dosáhnout terminálů axonů, kde může zahájit uvolňování neurotransmiteru. Rychlost vedení akčního potenciálu podél axonu je ovlivněna jak průměrem axonu, tak odporem axonu vůči úniku proudu. Myelin funguje jako izolátor, který brání proudu opustit axon, což zvyšuje rychlost vedení akčního potenciálu. U demyelinizačních chorob, jako je roztroušená skleróza, se vedení akčního potenciálu zpomaluje, protože proud uniká z dříve izolovaných oblastí axonů. Uzly Ranvier, znázorněné na (Obrázek), jsou mezery v myelinovém pouzdru podél axonu. Tyto nemyelinizované prostory jsou asi jeden mikrometr dlouhé a obsahují napěťově řízené kanály Na + a K +. Tok iontů těmito kanály, zejména kanály Na +, regeneruje akční potenciál znovu a znovu podél axonu. Toto „skákání“ akčního potenciálu z jednoho uzlu do druhého se nazývá slané vedení. Pokud by Ranvierovy uzly nebyly přítomny podél axonu, akční potenciál by se šířil velmi pomalu, protože kanály Na + a K + by musely nepřetržitě regenerovat akční potenciály v každém bodě axonu místo v konkrétních bodech. Uzly Ranvier také šetří energii pro neuron, protože kanály musí být přítomny pouze v uzlech a ne podél celého axonu.


Synaptický přenos

Synapse nebo „mezera“ je místo, kde jsou informace přenášeny z jednoho neuronu do druhého. Synapse se obvykle tvoří mezi axonovými terminály a dendritickými trny, ale není to všeobecně pravda. Existují také synapse těla axon-to-axon, dendrite-to-dendrite a axon-to-cell. Neuron přenášející signál se nazývá presynaptický neuron a neuron přijímající signál se nazývá postsynaptický neuron. Všimněte si, že tato označení jsou relativní ke konkrétní synapse - většina neuronů je presynaptická i postsynaptická. Existují dva typy synapsí: chemická a elektrická.

Chemická synapse

Když akční potenciál dosáhne axonového terminálu, depolarizuje membránu a otevře napěťově řízené kanály Na +. Ionty Na + vstupují do buňky a dále depolarizují presynaptickou membránu. Tato depolarizace způsobí otevření napěťově řízených kanálů Ca 2+. Vápenaté ionty vstupující do buňky zahajují signální kaskádu, která způsobuje, že malé vesikuly vázané na membránu, nazývané synaptické vezikuly, obsahující molekuly neurotransmiterů, se spojí s presynaptickou membránou. Synaptické vezikuly jsou znázorněny na (obrázek), což je snímek ze skenovacího elektronového mikroskopu.


Fúze váčku s presynaptickou membránou způsobí uvolnění neurotransmiteru do synaptické štěrbiny, extracelulárního prostoru mezi presynaptickými a postsynaptickými membránami, jak je znázorněno na (obrázek). Neurotransmiter difunduje přes synaptickou štěrbinu a váže se na receptorové proteiny na postsynaptické membráně.


Vazba specifického neurotransmiteru způsobí, že se na postsynaptické membráně otevřou konkrétní iontové kanály, v tomto případě ligandem řízené kanály. Neurotransmitery mohou mít buď excitační nebo inhibiční účinky na postsynaptickou membránu, jak je popsáno na (Obrázek). Například když je acetylcholin uvolňován na synapsi mezi nervem a svalem (nazývanou neuromuskulární spojení) presynaptickým neuronem, způsobí otevření postsynaptických Na + kanálů. Na + vstupuje do postsynaptické buňky a způsobuje depolarizaci postsynaptické membrány. Tato depolarizace se nazývá excitační postsynaptický potenciál (EPSP) a zvyšuje pravděpodobnost, že postsynaptický neuron vystřelí akční potenciál.Uvolnění neurotransmiteru na inhibičních synapsích způsobuje inhibiční postsynaptické potenciály (IPSP), což je hyperpolarizace presynaptické membrány. Například když se neurotransmiter GABA (kyselina gama-aminomáselná) uvolní z presynaptického neuronu, váže se a otevírá kanály Cl –. Ionty Cl – vstupují do buňky a hyperpolarizují membránu, čímž je neuron méně pravděpodobný, že vystřelí akční potenciál.

Jakmile dojde k neurotransmisi, musí být neurotransmiter odstraněn ze synaptické štěrbiny, aby se postsynaptická membrána mohla „resetovat“ a být připravena přijímat další signál. Toho lze dosáhnout třemi způsoby: neurotransmiter může difundovat pryč od synaptické štěrbiny, může být degradován enzymy v synaptické štěrbině nebo může být recyklován (někdy nazýván zpětné vychytávání) presynaptickým neuronem. V tomto kroku neurotransmise působí několik léků. Například některá léčiva podávaná pacientům s Alzheimerovou chorobou působí inhibicí acetylcholinesterázy, enzymu, který degraduje acetylcholin. Tato inhibice enzymu v podstatě zvyšuje neurotransmisi v synapsích, které uvolňují acetylcholin. Po uvolnění zůstává acetylcholin v rozštěpu a může se kontinuálně vázat a vázat na postsynaptické receptory.

Funkce a umístění neurotransmiteru
Neurotransmiter Příklad Umístění
Acetylcholin CNS a/nebo PNS
Biogenní amin Dopamin, serotonin, norepinefrin CNS a/nebo PNS
Aminokyselina Glycin, glutamát, aspartát, kyselina gama aminomáselná CNS
Neuropeptid Látka P, endorfiny CNS a/nebo PNS

Elektrická synapse

Přestože počet elektrických synapsí je menší než synapsí chemických, nacházejí se ve všech nervových systémech a hrají důležité a jedinečné role. Způsob neurotransmise v elektrických synapsích je zcela odlišný od režimu v chemických synapsích. V elektrické synapse jsou presynaptické a postsynaptické membrány velmi blízko sebe a jsou ve skutečnosti fyzicky spojeny kanálovými proteiny tvořícími mezerové spoje. Mezery umožňují průchod proudu přímo z jedné buňky do druhé. Kromě iontů, které tento proud nesou, mohou dalšími molekulami, jako je ATP, difundovat přes velké póry křižovatky.

Mezi chemickými a elektrickými synapsemi existují klíčové rozdíly. Protože chemické synapsí závisí na uvolňování molekul neurotransmiterů ze synaptických vezikul k přenosu jejich signálu, existuje přibližně jedno milisekundové zpoždění mezi tím, kdy potenciál axonů dosáhne presynaptického terminálu a kdy neurotransmiter vede k otevření postsynaptických iontových kanálů. Tato signalizace je navíc jednosměrná. Naproti tomu signalizace v elektrických synapsích je prakticky okamžitá (což je důležité u synapsí zapojených do klíčových reflexů) a některé elektrické synapsy jsou obousměrné. Elektrické synapse jsou také spolehlivější, protože je méně pravděpodobné, že budou blokovány, a jsou důležité pro synchronizaci elektrické aktivity skupiny neuronů. Například se předpokládá, že elektrické synapse v thalamu regulují spánek s pomalými vlnami a narušení těchto synapsí může způsobit záchvaty.

Souhrn signálu

Někdy je jeden EPSP dostatečně silný, aby vyvolal akční potenciál v postsynaptickém neuronu, ale často musí více presynaptických vstupů vytvářet EPSP přibližně ve stejnou dobu, aby byl postsynaptický neuron dostatečně depolarizován, aby vystřelil akční potenciál. Tento proces se nazývá sumace a probíhá na kopci axonu, jak je znázorněno na (Obrázek). Navíc jeden neuron má často vstupy z mnoha presynaptických neuronů - některé excitační a některé inhibiční - takže IPSP mohou zrušit EPSP a naopak. Je to čistá změna v postsynaptickém membránovém napětí, která určuje, zda postsynaptický článek dosáhl svého prahu excitace potřebného k vystřelení akčního potenciálu. Synaptické součty a prahová hodnota buzení společně fungují jako filtr, takže náhodný „šum“ v systému není přenášen jako důležitá informace.


Rozhraní mozek-počítač
Amyotrofická laterální skleróza (ALS, také nazývaná Lou Gehrigova choroba) je neurologické onemocnění charakterizované degenerací motorických neuronů, které kontrolují dobrovolné pohyby. Nemoc začíná oslabením svalů a nedostatečnou koordinací a nakonec zničí neurony, které ovládají řeč, dýchání a polykání, na konci může nemoc vést k paralýze. V tu chvíli pacienti potřebují pomoc strojů, aby mohli dýchat a komunikovat. Bylo vyvinuto několik speciálních technologií, které umožňují „uzamčeným“ pacientům komunikovat se zbytkem světa. Jedna technologie například umožňuje pacientům psát věty škubnutím tváře. Tyto věty je pak možné nahlas přečíst na počítači.

Relativně nová řada výzkumu, která pomáhá paralyzovaným pacientům, včetně pacientů s ALS, komunikovat a udržet si stupeň soběstačnosti, se nazývá technologie rozhraní mozku a počítače (BCI) a je znázorněna na (obrázek). Tato technologie zní jako něco ze sci -fi: umožňuje ochrnutým pacientům ovládat počítač pouze pomocí svých myšlenek. Existuje několik forem BCI. Některé formy používají EEG záznamy z elektrod nalepených na lebce. Tyto nahrávky obsahují informace z velké populace neuronů, které lze dekódovat počítačem. Jiné formy BCI vyžadují implantaci řady elektrod menších než poštovní známka v oblasti paže a ruky motorické kůry. Tato forma BCI, přestože je invazivnější, je velmi silná, protože každá elektroda může zaznamenávat skutečné akční potenciály z jednoho nebo více neuronů. Tyto signály jsou poté odeslány do počítače, který byl vyškolen k dekódování signálu a jeho přenosu do nástroje - například kurzoru na obrazovce počítače. To znamená, že pacient s ALS může používat e-mail, číst na internetu a komunikovat s ostatními tím, že přemýšlí o pohybu rukou nebo paží (i když paralyzovaný pacient nemůže provést tento tělesný pohyb). Nedávné pokroky umožnily paralyzované uzamčené pacientce, která před 15 lety prodělala mozkovou mrtvici, ovládat robotickou ruku a dokonce se sama krmit kávou pomocí technologie BCI.

Navzdory úžasnému pokroku v technologii BCI má také omezení. Tato technologie může vyžadovat mnoho hodin školení a dlouhé období intenzivní koncentrace pro pacienta, ale také může vyžadovat operaci mozku k implantaci zařízení.


Podívejte se na toto video, ve kterém paralyzovaná žena pomocí robotické paže ovládané mozkem přinese nápoj do úst, mimo jiné snímky technologie rozhraní mozek-počítač v akci.

Synaptická plasticita

Synapse nejsou statické struktury. Mohou být oslabeny nebo posíleny. Mohou být zlomeny a mohou být vytvořeny nové synapse. Synaptická plasticita umožňuje tyto změny, které jsou všechny potřebné pro fungující nervový systém. Synaptická plasticita je ve skutečnosti základem učení a paměti. Zejména dva procesy, dlouhodobá potenciace (LTP) a dlouhodobá deprese (LTD) jsou důležitými formami synaptické plasticity, které se vyskytují v synapsích v hippocampu, oblasti mozku, která se podílí na ukládání vzpomínek.

Dlouhodobá potenciace (LTP)

Dlouhodobá potenciace (LTP) je trvalé posilování synaptického spojení. LTP je založen na principu Hebbian: buňky, které společně střílejí, se spojují dohromady. Za synaptickým posilováním pozorovaným u LTP jsou různé mechanismy, žádný není zcela pochopen. Jeden známý mechanismus zahrnuje typ postsynaptického glutamátového receptoru, nazývaný receptory NMDA (N-methyl-D-aspartát), znázorněný na (obrázek). Tyto receptory jsou normálně blokovány ionty hořčíku, avšak když je postsynaptický neuron depolarizován více presynaptickými vstupy v rychlém sledu (buď z jednoho neuronu, nebo z více neuronů), ionty hořčíku jsou vytlačeny ven, což umožňuje iontům Ca přejít do postsynaptické buňky. Dále ionty Ca 2+ vstupující do buňky zahájí signální kaskádu, která způsobí, že se do postsynaptického inzertu vloží jiný typ receptoru glutamátu, nazývaný receptory AMPA (kyselina α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionová) membrána, protože aktivované receptory AMPA umožňují vstupu pozitivních iontů do buňky. Takže příště, až bude glutamát uvolněn z presynaptické membrány, bude mít větší excitační účinek (EPSP) na postsynaptickou buňku, protože vazba glutamátu na tyto AMPA receptory umožní více pozitivních iontů do buňky. Vložení dalších AMPA receptorů posiluje synapsi a znamená, že postsynaptický neuron pravděpodobněji vystřelí v reakci na uvolnění presynaptického neurotransmiteru. Některé drogy zneužívající kooptují cestu LTP a toto synaptické posilování může vést k závislosti.

Dlouhodobá deprese (LTD)

Dlouhodobá deprese (LTD) je v podstatě opakem LTP: jde o dlouhodobé oslabení synaptického spojení. Jeden mechanismus, o kterém je známo, že způsobuje LTD, také zahrnuje receptory AMPA. V této situaci vápník, který vstupuje přes receptory NMDA, iniciuje jinou signální kaskádu, což má za následek odstranění AMPA receptorů z postsynaptické membrány, jak je znázorněno na (Obrázek). Pokles AMPA receptorů v membráně činí postsynaptický neuron méně citlivým na glutamát uvolněný z presynaptického neuronu. I když se to může zdát neintuitivní, LTD může být pro učení a paměť stejně důležité jako LTP. Oslabení a prořezávání nepoužívaných synapsí umožňuje ztrátu nedůležitých spojení a díky tomu jsou synapse, které prošly LTP, ve srovnání mnohem silnější.


Shrnutí sekce

Neurony mají nabité membrány, protože uvnitř i vně buňky jsou různé koncentrace iontů. Napěťově řízené iontové kanály řídí pohyb iontů do a ven z neuronu. Když je neuronální membrána depolarizována alespoň na práh excitace, je aktivován akční potenciál. Akční potenciál se pak šíří po myelinizovaném axonu k axonovým terminálům. V chemické synapse akční potenciál způsobuje uvolnění molekul neurotransmiterů do synaptické štěrbiny. Vazbou na postsynaptické receptory může neurotransmiter způsobit excitační nebo inhibiční postsynaptické potenciály depolarizací, respektive hyperpolarizací postsynaptické membrány. V elektrických synapsích je akční potenciál přímo přenášen na postsynaptickou buňku prostřednictvím mezerových spojení-velkokanálových proteinů, které spojují pre- a postsynaptické membrány. Synapse nejsou statické struktury a lze je posilovat a oslabovat. Dva mechanismy synaptické plasticity jsou dlouhodobá potenciace a dlouhodobá deprese.

Otázky týkající se vizuálního připojení

(Obrázek) Blokátory draslíkových kanálů, jako je amiodaron a prokainamid, které se používají k léčbě abnormální elektrické aktivity v srdci, nazývané srdeční dysrytmie, brání pohybu K+ prostřednictvím napěťově řízených K+ kanálů. Kterou část akčního potenciálu byste podle očekávání ovlivnili draslíkové kanály?

(Obrázek) Blokátory draslíkových kanálů zpomalují repolarizační fázi, ale nemají žádný vliv na depolarizaci.

Kontrolní otázky

Aby neuron vystřelil akční potenciál, musí jeho membrána dosáhnout ________.

  1. hyperpolarizace
  2. práh vzrušení
  3. refrakterní období
  4. inhibiční postsynaptický potenciál

Po akčním potenciálu, otevření dalších napěťově řízených ________ kanálů a deaktivaci sodíkových kanálů způsobí, že se membrána vrátí ke svému klidovému membránovému potenciálu.

Jaký je termín pro proteinové kanály, které spojují dva neurony v elektrické synapse?

  1. synaptické váčky
  2. napěťově řízené iontové kanály
  3. protein mezerového spojení
  4. čerpadla na výměnu sodíku a draslíku

Která z následujících molekul je ne podílí se na udržování klidového membránového potenciálu?

Otázky kritického myšlení

Jak myelin napomáhá šíření akčního potenciálu podél axonu? Jak uzly Ranvier tomuto procesu pomáhají?

Myelin zabraňuje úniku proudu z axonu. Uzly Ranviera umožňují regeneraci akčního potenciálu v konkrétních bodech podél axonu. Šetří také energii pro buňku, protože napěťově řízené iontové kanály a transportéry sodíku a draslíku nejsou potřeba podél myelinizovaných částí axonu.

Jaké jsou hlavní kroky chemické neurotransmise?

Akční potenciál cestuje podél axonu, dokud depolarizuje membránu na axonovém terminálu. Depolarizace membrány způsobí, že se napěťově řízené kanály Ca 2+ otevřou a Ca 2+ vstoupí do buňky. Nitrobuněčný příliv vápníku způsobí fúzi synaptických vezikul obsahujících neurotransmiter s presynaptickou membránou. Neurotransmiter difunduje přes synaptickou štěrbinu a váže se na receptory na postsynaptické membráně. V závislosti na konkrétním neurotransmiteru a postsynaptickém receptoru může tato akce způsobit, že do buňky vstoupí pozitivní (excitační postsynaptický potenciál) nebo negativní (inhibiční postsynaptický potenciál) ionty.

Popište, jak může dlouhodobá potenciace vést k závislosti na nikotinu.

Dlouhodobá potenciace popisuje proces, při kterém expozice stimulu zvyšuje pravděpodobnost, že neuron v reakci na tento stimul v budoucnu depolarizuje. Expozice nikotinu způsobuje dlouhodobou potenciaci neuronů v amygdale a aktivuje centra odměn v mozku. Jak expozice nikotinu pokračuje, dlouhodobá potenciace posiluje aktivaci cest odměn v reakci na spotřebu nikotinu.

Glosář


Klidový neuron je záporně nabitý: vnitřek buňky je přibližně o 70 milivoltů negativnější než vnější část (−70 mV, toto číslo se liší podle typu neuronu a podle druhu). Toto napětí se nazývá klidový membránový potenciál, je způsobeno rozdíly v koncentracích iontů uvnitř a vně buňky. Pokud by byla membrána stejně propustná pro všechny ionty, každý typ iontů by proudil přes membránu a systém by dosáhl rovnováhy. Vzhledem k tomu, že ionty nemohou jednoduše procházet membránou podle libosti, existují různé koncentrace několika iontů uvnitř i vně buňky, jak ukazuje tabulka 16.1. Rozdíl v počtu kladně nabitých iontů draslíku (K +) uvnitř a vně buňky dominuje potenciálu klidové membrány (obrázek 16.10). Když je membrána v klidu, ionty K + se hromadí uvnitř buňky v důsledku čistého pohybu s koncentračním gradientem. Negativní klidový membránový potenciál je vytvářen a udržován zvýšením koncentrace kationtů mimo buňku (v extracelulární tekutině) relativně uvnitř buňky (v cytoplazmě). Negativní náboj uvnitř buňky je vytvořen buněčnou membránou, která je propustnější pro pohyb iontů draslíku než pohyb iontů sodíku. V neuronech jsou ionty draslíku udržovány ve vysokých koncentracích v buňce, zatímco ionty sodíku jsou udržovány ve vysokých koncentracích mimo buňku. Buňka má kanály pro únik draslíku a sodíku, které umožňují dvěma kationtům difundovat po jejich koncentračním gradientu. Neurony však mají mnohem více kanálů úniku draslíku než kanálů úniku sodíku. Draslík proto difunduje z buňky mnohem rychleji, než do něj uniká sodík. Protože z buňky odchází více kationtů, než do ní vstupuje, způsobí to, že vnitřek buňky bude záporně nabitý vzhledem k vnější části buňky. Činnost sodno -draselné pumpy pomáhá udržovat klidový potenciál, jakmile je zaveden. Připomeňme si, že sodíkové draselné pumpy přivádějí do buňky dva ionty K + a současně odebírají tři ionty Na + na spotřebovaný ATP. Vzhledem k tomu, že je z buňky vypuštěno více kationtů, než je přijato, zůstává vnitřek buňky ve srovnání s extracelulární tekutinou negativně nabitý. Je třeba poznamenat, že ionty vápníku (Cl-) mají tendenci se hromadit mimo buňku, protože jsou odpuzovány záporně nabitými proteiny v cytoplazmě.

Tabulka 16 .1. Klidový membránový potenciál je výsledkem různých koncentrací uvnitř a vně buňky.
Koncentrace iontů uvnitř a vně neuronů
Ion Extracelulární koncentrace (mM) Intracelulární koncentrace (mM) Poměr venku/uvnitř
Na + 145 12 12
K+ 4 155 0.026
Cl - 120 4 30
Organické anionty (A−) 100

Obrázek 16.10.
(A) Klidový membránový potenciál je výsledkem různých koncentrací iontů Na+ a K+ uvnitř a vně buňky. Nervový impuls způsobí, že Na+ vstoupí do buňky, což má za následek (b) depolarizaci. Na vrcholu akčního potenciálu se kanály K+ otevřou a buňka se (c) hyperpolarizuje.

Chemická signalizace funguje na širokou škálu vzdáleností

Zvířata používají chemickou signalizaci ve velmi širokém rozsahu prostorových měřítek ( OBRÁZEK ​​35.2 ). V tomto konceptu jsme diskutovali o chemické signalizaci ve dvou prostorových měřítcích - dvou různých stupnicích vzdálenosti pozorovaných při nervové a endokrinní signalizaci. Chemická signalizace však probíhá také na ještě kratších a ještě delších stupnicích vzdálenosti.

Mnoho chemických signálů difunduje z buňky do buňky v tkáni, aniž by vstoupilo do krve. Dva takové typy signálů jsou parašutiny a autokriny. Parakriny jsou chemikálie, které jsou vylučovány jednou buňkou a ovlivňují funkce ostatních sousedních buněk ve tkáni vazbou na receptory v sousedních buňkách nebo na nich (viz obrázek 35.2A). Autokriny jsou chemikálie, které buňka vylučuje do okolních mezibuněčných tekutin a poté difundují na receptory téže buňky a ovlivňují její funkce (viz obrázek 5.10).

Neurotransmitery a hormony pracují na středních vzdálenostech. Neurotransmitery připomínají parakriny v tom, že se difúzí pohybují jen na krátké vzdálenosti od buňky k buňce, protože presynaptický neuron od cílové buňky odděluje pouze šířka synaptické štěrbiny. Sekrece neurotransmiterů je však řízena z dálky elektrickými signály, které cestují po délce presynaptické buňky (viz obrázek 35.2B). Hormony jsou přenášeny do nejvzdálenějších konců těla zvířete cirkulací krve (viz obrázek 35.2C).

Feromony jsou chemické signály, které jednotlivé zvíře uvolňuje do svého vnějšího prostředí a které mají specifické účinky (např. Účinky na chování) na jiné jedince stejného druhu (viz obrázek 35.2D). Některé feromony cestují stovky metrů, než dosáhnou svých cílů.

KONCEPCE KONTROLNÍHO bodu 35.1

  • Proč je endokrinní kontrola popisována jako pomalá a vysílaná?
  • Proč je správné tvrdit, že nervová i endokrinní kontrola závisí na chemické signalizaci?
  • Pokud jsou všechny buňky v těle zalité hormonem, proč jsou některé ovlivněny, zatímco jiné ne?

Nyní, když jsme porovnali a porovnali nervový a endokrinní systém, zaměřme pozornost na endokrinní systém.


Senzorické neurony vs. motorické neurony

Jednoduše řečeno, smyslové neurony jsou pro “ pocit, ” a motorické neurony jsou pro “ dělat. ”

Motorické neurony jsou eferentní (to znamená, že přenášejí informace směrem k periferii z centrálního nervového systému). Naproti tomu smyslové neurony jsou eferentní (přenášejí informace směrem k centrálnímu nervovému systému z periferie).

Motorické neurony mívají multipolární morfologii s jediným axonem a mnoha dendrity. Senzorické neurony jsou však obvykle pseudounipolární. Motorické neurony mají navíc krátké dendrity a dlouhé axony, zatímco senzorické neurony mají dlouhé dendrity a krátké axony.

Tyto dva neurony mají také hluboké funkční rozdíly. Zatímco v motorických neuronech je nový nervový impuls generován v neuronu motorické kůry mozku, ve senzorických neuronech je nový signál generován v periferním nervovém systému.


Prameny

Informace o zdravotním stavu IQWiG jsou psány s cílem pomoci lidem porozumět výhodám a nevýhodám hlavních možností léčby a služeb zdravotní péče.

Protože IQWiG je německý institut, některé zde uvedené informace jsou specifické pro německý systém zdravotní péče. Vhodnost kterékoli z popsaných možností v individuálním případě lze určit rozhovorem s lékařem. Neposkytujeme individuální konzultace.

Naše informace jsou založeny na výsledcích studií dobré kvality. Je napsán týmem zdravotnických odborníků, vědců a redaktorů a je zkontrolován externími odborníky. Můžete najít podrobný popis toho, jak jsou naše zdravotní informace vytvářeny a aktualizovány našimi metodami.


Neurony jsou pozastaveno, jak říkáte, v extracelulární matici. Mozkové tkáně jsou trochu konkrétnější. Zde cituji několik souhrnů z literatury, abych odpověděl a poskytl vám pohled na vaši základní otázku. Tučně zvýrazním důležitá tvrzení, která odlišují ECM mozku od ECM, které se nacházejí jinde v těle.

Barros, Franco & amp Müller, 2011: Úžasný počet glykoproteinů extracelulární matrix je vyjádřen v dynamických vzorcích ve vývojovém a dospělém nervovém systému. Neurální kmenové buňky, neurony a glia exprimují receptory, které zprostředkovávají interakce se specifickými molekulami extracelulární matrix. Funkční studie in vitro a genetické studie na myších poskytly důkaz, že extracelulární matrix ovlivňuje prakticky všechny aspekty vývoje a funkce nervového systému. Zde shrneme nedávná zjištění, která osvětlila specifické funkce definovaných molekul extracelulární matrice na tak rozdílných procesech, jako je diferenciace nervových kmenových buněk, migrace neuronů, tvorba axonálních traktů a zrání a funkce synapsí v periferních a centrálních nervový systém.

Ruoslahti, 1996: Extracelulární matrix dospělé mozkové tkáně má jedinečné složení. Pozoruhodným rysem této matrice je výtečnost lektikánů, proteoglykanů, které obsahují lektinovou doménu a doménu vázající kyselinu hyaluronovou. Bohaté jsou také adhezivní/antiadhezivní proteiny z rodiny kyseliny hyaluronové a tenascinu. Matrixové proteiny běžné v jiných tkáních v dospělém mozku téměř chybí. Zdá se, že extracelulární matrix mozku má trofické účinky na neuronální buňky a ovlivňuje růst neuritů. Unikátní složení této matrice může být zodpovědné za odolnost mozkové tkáně vůči invazi nádorů jiného než neuronálního původu.

Dityatev a kol. 2010: Extracelulární matrix (ECM) centrálního nervového systému je dobře uznávána jako migrační a difúzní bariéra, která umožňuje odchyt a prezentaci růstových faktorů jejich receptorům na buněčném povrchu. Nedávná data zdůrazňují důležitost molekul ECM jako synaptických a perisynaptických lešení, které usměrňují shlukování receptorů neurotransmiterů v postsynaptickém kompartmentu a které představují bariéry omezující laterální difúzi membránových proteinů od synapsí. ECM také přispívá k migraci a diferenciaci kmenových buněk v neurogenním výklenku a organizuje polarizovanou lokalizaci iontových kanálů a transportérů na kontaktech mezi astrocytickými procesy a cévami. ECM tedy přispívá k funkční kompartmentalizaci v mozku.


Část 2: Prasknutí obvodů pro čichání: pachy, neurony, geny a chování

00: 00: 00.00 Ahoj, jsem Cori Bargmann,
00: 00: 03.25 z Rockefellerovy univerzity v New Yorku,
00: 00: 05.29 a Howard Hughes Medical Institute.
00: 00: 08.02 A dnes budu mluvit o práci, kterou jsme dělali, abychom se pokusili rozbít obvody pro čich,
00: 00: 13.27, abyste pochopili, jak přecházíte od pachů přes neurony k genům k chování.
00: 00: 19.24 Nyní o tom budu mluvit v kontextu, nikoli v ušlechtilém lidském mozku,
00: 00: 24.20, ale z ušlechtilého mozku červa nematodů, Caenorhabditis elegans.
00: 00: 28.20 Proč bychom místo lidí studovali prosté zvíře?
00: 00: 31.29 Důvodem je, že lidský mozek je téměř nepředstavitelně složitý:
00: 00: 36,14 má miliardy neuronů, které jsou navzájem spojeny biliony synapsí.
00: 00: 42,03 Naproti tomu nervový systém hlístic červů C. elegans má pouze 302 neuronů
00: 00: 47,27, které jsou propojeny 7 000 synapsemi a dalšími zhruba 600 mezerami.
00: 00: 54.15 Tento mnohem jednodušší nervový systém však sdílí mnoho složek s nervovým systémem člověka.
00: 01: 01.19 Takže zatímco lidé mají asi 25 000 genů,
00: 01: 04.09 červi mají asi 20 000 genů,
00: 01: 06.09 mnoho nebo které jsou sdíleny mezi druhy.
00: 01: 08.20 A když se podíváme na vlastnosti nervového systému,
00: 01: 11.01 zjišťujeme, že mnoho rysů nervového systému je podobných,
00: 01: 14.22, že červi používají podobné neurotransmitery, kanály a vývojové geny jako lidé.
00: 01: 20.07 Proto si myslíme, že některé z principů, které jsou základem funkce mozku
00: 01: 24.08 a funkce mozkových obvodů v chování bude také podobná u jednodušších zvířat, jako je červ
00: 01: 30.06 a složitá zvířata, jako jsme my.
00: 01: 34.17 Nyní, s C. elegans, máme také z práce Johna Whitea a jeho kolegů,
00: 01: 39,06 znalost toho, jak těchto 302 neuronů mezi sebou komunikuje prostřednictvím schématu zapojení.
00: 01: 45.05 Toto schéma zapojení obsahuje pouze 6000 nebo 7000 připojení,
00: 01: 48.26, ale to je stále příliš mnoho, jak můžete vidět na tomto obrázku,
00: 01: 52.24, abychom skutečně porozuměli toku informací.
00: 01: 55.05 Musíme přímo vyzkoušet, co ta spojení dělají,
00: 01: 57.28 musíme vyzkoušet, co neurony dělají, abychom porozuměli chování.
00: 02: 03.28 A způsob, jakým se pokoušíme porozumět chování, využívá chování celého zvířete,
00: 02: 10.29 funkce jednotlivých genů a funkce neuronů,
00: 02: 14.18 a vzájemně je spojovat svisle, z úrovně molekul
00: 02: 18.23 na úroveň celého organismu.
00: 02: 21.07 Nyní bude výchozím bodem pro tuto sadu studií skutečnost, že červi reagují na pachy
00: 02: 27.15 s robustními reakcemi chování,
00: 02: 29.24, které kladou soubor otázek, na které se můžeme ptát, jak je chování generováno.
00: 02: 33.24 Pokud tedy položíte spoustu červů do prostředí, kde není žádný zápach,
00: 02: 36.27 rozprchnou se.
00: 02: 38.24 Ale pokud je budete mít v prostředí, kde je na jedné straně dobrý zápach,
00: 02: 41.25 rychle se přesunou ke zdroji toho dobrého zápachu a tam se hromadí.
00: 02: 46.29 Naopak, pokud je umístíte do prostředí se špatným zápachem,
00: 02: 49.06 půjdou od toho tak daleko, jak jen budou moci.
00: 02: 51.25 Takže můžeme vidět přitažlivost, odpor nebo neutrální reakce v chování zvířete.
00: 02: 57.21 Potom se můžeme zeptat: Jaké části mozku červa jsou potřebné pro tyto různé druhy chování?
00: 03: 04.15 A tuto otázku si můžeme položit prostřednictvím různých druhů přístupů,
00: 03: 08.22 buď přístupy se ztrátou funkce, nebo přístupy se ziskem funkce,
00: 03: 12.01 a oba se shodují na stejné odpovědi,
00: 03: 15.03, což znamená, že specifické neurony detekují pachy a iniciují chování u zvířete,
00: 03: 20.20 a že neurony, které to dělají, jsou spolehlivě podobné červům od červů.
00: 03: 25.23 Jedním ze způsobů, jak to určit, je eliminace funkcí jednotlivých neuronů,
00: 03: 29.27 což můžeme udělat tím, že je zabijeme laserovým mikrobeamem,
00: 03: 32.13 a když to uděláme, například pro tento neuron zobrazený zde modře, neuron AWC,
00: 03: 37.13 zjišťujeme, že zvířata mají vadnou schopnost chemotaxe
00: 03: 40.26 na určité atraktivní pachy a na hledání potravy.
00: 03: 44.15 Pokud zabijeme neuron hned vedle AWC, tento červený neuron, ASH,
00: 03: 48.20 neexistuje žádná závada v pachotové chemotaxi a vyhledávání potravin.
00: 03: 51.14 Ale nyní místo toho došlo k defektu nocicepce
00: 03: 55.16 a únikové chování, které je vyvoláno škodlivými sloučeninami, které červ nenávidí.
00: 04: 00.20 To nám tedy říká, že tyto neurony jsou potřebné pro různé chování.
00: 04: 04.08 Tuto analýzu ztráty funkce můžeme doplnit analýzou zisku z funkce,
00: 04: 08.19 kde tyto neurony uměle aktivujeme a ptáme se, jaké chování zvíře generuje.
00: 04: 14.15 A metoda, která se k tomu v současné době používá v neurovědě
00: 04: 18.07 je použít molekulu zvanou channelrhodopsin.
00: 04: 21.03 Je to světlo aktivovaný iontový kanál z jednobuněčného organismu.
00: 04: 25.23 Gen pro Channelrhodopsin může být zaveden do různých neuronů u různých zvířat,
00: 04: 30.25 a pak bude tyto neurony reagovat na světlo,
00: 04: 33.15, takže když si na ně posvítíte, neurony se stanou aktivními.
00: 04: 36.15 Poté se můžete v této konfiguraci zisku funkce zeptat,
00: 04: 39.20 co se stane, když aktivujete jeden z těchto neuronů?
00: 04: 42.26 A tak například, jak je ukázáno v tomto filmu zde, když aktivujete ASH
00: 04: 47.24 nociceptivní neuron, který zprostředkovává únikové chování pouhým rozsvícením světla
00: 04: 52.26 a aktivací channelrhodopsinu, červ generuje obrat.
00: 04: 57.01 Toto je únikové chování spojené se změnou směru
00: 05: 00.16 to je přesně to, co by se stalo, kdyby ASH detekoval jeden ze svých normálních
00: 05: 05.04 škodlivé podněty, které by také řídily únikové chování.
00: 05: 09.12 A tak zde můžeme říci, že ASH je nezbytný a dostačující pro generování únikových chování.
00: 05: 18.13 Nyní je vysvětlení únikového chování docela jednoduché.
00: 05: 22.17 Únikové chování je deterministické
00: 05: 24.26 to znamená, že když červ narazí na škodlivou látku,
00: 05: 28.09, jak ukazuje tato řada panelů, každý červ generuje spolehlivou odezvu
00: 05: 33.09 na tu škodlivou látku, a to způsobem, který je docela předvídatelný,
00: 05: 37.08 kde bude couvat, odvracet se a pohybovat se novým směrem.
00: 05: 41.04 Ale když se pokoušíme porozumět chování chemotaxe, vidíme, že má různé vlastnosti.
00: 05: 46.01 Je to pravděpodobnostní chování,
00: 05: 48.08 a tím mám na mysli to, že
00: 05: 49.29, zatímco všichni červi nakonec dosáhnou zápachu,
00: 05: 53.12 dostanou se ke zápachu tím, co se zdá být nepředvídatelnou cestou.
00: 05: 57.00 Zdá se, že každý červ jde jinou cestou, aby dosáhl zdroje zápachu.
00: 06: 01.09 Jak můžeme vysvětlit tuto složitější trajektorii,
00: 06: 04.21 což nevypadá jako reflex nebo deterministická akce?
00: 06: 07.26 Potřebujeme nějaký model, který by to vysvětlil
00: 06: 11.00 jak se zvířata dokážou přiblížit zápachu.
00: 06: 13.29 A ve skutečnosti přesně takový model vytvořil Shawn Lockery a jeho kolegové,
00: 06: 19.05 a ukázali, že červi přistupují k zápachu pomocí strategie
00: 06: 24.01 tomu říkali „zkreslená náhodná procházka“, což je stejná strategie, jakou používají bakterie
00: 06: 29.06 k detekci atraktivních chemikálií v jejich prostředí.
00: 06: 32.12 Předpojatá náhodná procházka probíhá fascinující strategií, kde
00: 06: 37,19 zvířata nemíří nosem přímo ke zápachu jako korouhvička
00: 06: 42.11 místo toho se jednoduše pohybují ve svém prostředí,
00: 06: 45.17 čeká, zda se podmínky změní, a pokud ano,
00: 06: 51.05 ať už se zlepšují nebo zhoršují.
00: 06: 53.18 A zvířata dělají to, že se otáčejí, mění směr,
00: 06: 56,29 nějakou konstantní rychlostí za konstantních podmínek.
00: 06: 59.25 Ale pokud se podmínky zlepší, pokud se zápach zvýší,
00: 07: 05.23, pak provedou méně zatáček.
00: 07: 08.04 Pokud se podmínky zhorší, pokud se sníží zápach,
00: 07: 11.12 dělají více zatáček.
00: 07: 12.27 A důsledkem toho je, že se zvířata budou pohybovat dobrým směrem
00: 07: 17:00 tam, kde pachy rostou delší dobu,
00: 07: 21.04 a budou se pohybovat špatným směrem, kde zápach klesá
00: 07: 24.00 na kratší časové období.
00: 07: 25.20 A nakonec jen náhodným změnou směru
00: 07: 28.15 to je povede k tomu, aby se hromadily při zápachu tím, co se zdá být a
00: 07: 32.13 víceméně náhodná cesta.
00: 07: 34.14 Klíčovým rysem této strategie je, že zvířata nezjistí absolutní úroveň zápachu,
00: 07: 40.01 zjišťují změnu úrovně zápachu.
00: 07: 42.27 zlepšují se věci nebo se zhoršují?
00: 07: 46.03 Dívají se na změnu koncentrace v průběhu času.
00: 07: 51.05 Takže bychom chtěli tento model vyzkoušet.
00: 07: 53.14 Jak postupujete při testování takového modelu, o koncentraci zápachu v průběhu času?
00: 07: 58.20 Tento model musíte otestovat tak, že vygenerujete časový přechod,
00: 08: 03.12 zápachové prostředí, které se mění pouze v čase a ne v prostoru,
00: 08: 08.12, abychom otestovali předpovědi tohoto konkrétního kvantitativního modelu.
00: 08: 12.13 A toho lze dosáhnout generováním malých komor
00: 08: 16.11, ve kterém mohou být zvířata vystavena pachům, které kolem nich rychle proudí,
00: 08: 20.13 a poté prozkoumejte jejich různé druhy reakčních reakcí.
00: 08: 24.07 A komoru pro plnění tohoto úkolu navrhl Dirk Albrecht.
00: 08: 30.05 Takže to, co Dirk udělal, bylo najít malé prostředí, ve kterém by mohl poskytovat pulsy pachů
00: 08: 35.20 při známé koncentraci ve známém rozvrhu,
00: 08: 38.10 a prozkoumejte reakce červů v těchto prostředích.
00: 08: 41.23 A jak je vidět ve filmu zde, když sledujete červy pohybující se touto komorou,
00: 08: 46.02 někdy se pohybují po přímkách a někdy mění směr,
00: 08: 49.11 generující různé druhy zatáček.
00: 08: 51.28 Tato světlá barva jsou zde červi bez zápachu.
00: 08: 55.12 Někteří z nich se otáčejí, někteří se pohybují po přímkách.
00: 08: 58.07 Když se objeví tmavá barva, bude to signalizovat vzhled atraktivního zápachu.
00: 09: 02.25 Když se objeví světlé barvy, zápach zmizí.
00: 09: 05.25 A to, co byste měli vidět, je, že
00: 09: 07.17 když se objeví zápach, červi se pohybují v dlouhých přímých liniích,
00: 09: 11.08 a když zápach zmizí, obrátí se a změní směr.
00: 09: 15.02 Opět atraktivní vůně. dlouhé, rovné linie.
00: 09: 18.28 Zmizení. otáčení.
00: 09: 21.13 Toto je přesně chování, které je předpovídáno v modelu zkreslené náhodné procházky:
00: 09: 26.22 Nárůst zatáčení, když se podmínky zhoršují.
00: 09: 30.14 Takže tady to můžeme vidět na vizuální úrovni.
00: 09: 33.05 Abychom však porozuměli chování, musíme toto chování kvantifikovat,
00: 09: 37.08 nejen na ně kvalitativně pohlížet.
00: 09: 40.16 A k tomu můžeme použít metody k automatické analýze chování soustružení
00: 09: 45.08 pomocí počítačů ke sledování polohy červů v čase.
00: 09: 49.04 Potom můžeme každému z červů přiřadit popis toho, co dělá v kteroukoli konkrétní dobu:
00: 09: 54.23 Pohybuje se vpřed, tady v šedé barvě?
00: 09: 57.02 Pozastavuje se nebo couvá, tady v černém?
00: 09: 59.24 Nebo generuje různé druhy zatáček, zvané piruety, tady v červeném?
00: 10: 04.17 Tuto analýzu lze provést pro mnoho stovek zvířat pomocí různých druhů stimulačních protokolů,
00: 10: 10,20 vedoucí k druhům zde uvedených údajů, kde jsou zvířata vystavena pulzům pachů v modré barvě,
00: 10: 17.25 a zápach je odstraněn (nahrazen pufrem) v bílé barvě.
00: 10: 21.25 A pak zde jsou stovky zvířat sledovány kvůli chování v reakci
00: 10: 26.04 k té sekvenci pachových a pufrových pulzů.
00: 10: 29.04 Nyní byste měli vidět, že v přítomnosti pufru je spousta červeného a černého materiálu,
00: 10: 34.26, ale mnohem méně, když je přítomen zápach.
00: 10: 38.04 Tyto stovky stop lze poté kvantifikovat a vygenerovat jednu stopu pod nimi,
00: 10: 42,29, která ukazuje pravděpodobnost otáčení za různých podmínek.
00: 10: 47.12 A co vidíte, je to, že když je přítomný zápach, jako tady,
00: 10: 51.08, pravděpodobnost odbočení je poměrně nízká, ale není nulová.
00: 10: 55.04 A když je odstraněn zápach, jak je zde ukázáno,
00: 10: 57.17, pravděpodobnost otočení stoupá, ale nejde to na 100%.
00: 11: 02.03 nakonec se opět vrátí k základní pravděpodobnosti obratu.
00: 11: 06.11 Z toho můžeme říci několik různých věcí:
00: 11: 08.29 Můžeme potvrdit zaujatý model náhodné procházky, můžeme říci, že ano,
00: 11: 12,14 otáčky se mění na základě historie zápachu,
00: 11: 16.01, zda byl přidán nebo odstraněn zápach.
00: 11: 19.02 A také si můžeme všimnout, že se skutečně jedná o pravděpodobnostní chování,
00: 11: 23.29, že se pravděpodobnost obratu změní, ale nikdy to není 0%a nikdy to není 100%.
00: 11: 29.19 Abychom porozuměli chování, musíme myslet kvantitativně a statisticky
00: 11: 33.28 o tom, co zvířata v daném okamžiku dělají.
00: 11: 39.17 Takže pomocí těchto druhů testů a jednodušších testů, které se podobají těmto,
00: 11: 44.09 bylo možné zmapovat neurony, které jsou nutné pro pachovou chemotaxi a vyhledávání potravin.
00: 11: 50.18 Řekl jsem vám, že pro detekci zápachu je zapotřebí neuron AWC, čichový neuron.
00: 11: 55.23 AWC tvoří synapse do tří různých tříd interneuronů,
00: 12: 00.16 neuronů, které shromažďují informace z různých senzorických neuronů,
00: 12: 04.23 a tyto neurony jsou spojeny navzájem a se čtvrtým neuronem.
00: 12: 09.04 Všechny čtyři tyto neurony, které jsou jednu synapsi od AWC neuronu,
00: 12: 13.26 regulují pravděpodobnosti otáčení.
00: 12: 16.15 Dva z nich, zobrazeni modře,
00: 12: 18.15 působí na zvýšení rychlosti otáčení, když je odstraněn zápach, a dva z nich ukazují červeně,
00: 12: 24.09 působí ke snížení rychlosti otáčení.
00: 12: 26.14 Jsou to tedy pozitivní i negativní signály v tomto obvodu, které zprostředkovávají informace o zápachu.
00: 12: 32.27 Nyní, jakmile se generuje tah,
00: 12: 36.08 červ se musí rozhodnout, jaký bude obrat.
00: 12: 39.00 Neurony zde zobrazené šedě ve spodní části snímku
00: 12: 42.02 jsou neurony, které pomáhají interpretovat tyto informace o frekvenci otáčení a
00: 12: 45.19 proměnit to v různé druhy chování výstupních motorů.
00: 12: 48.22 Nebudu o nich v této řeči hovořit dále.
00: 12: 51.02 Budu se soustředit pouze na první krok:
00: 12: 53.08 Jak se problém detekce zápachu transformuje přes neurony
00: 12: 57.11, které shromažďují tyto informace od senzorického neuronu, aby regulovaly rychlosti otáčení?
00: 13: 04.28 Jedním ze způsobů, jak na tuto otázku odpovědět, je začít získávat dynamický obraz
00: 13: 09.18 toho, co neurony dělají v reakci na pachy.
00: 13: 13.10 Chceme si představit, co se děje v těchto neuronech.
00: 13: 16.21 Jaké jsou tedy nástroje, které můžeme použít k pochopení, když jsou neurony aktivní?
00: 13: 20.25 U C. elegans jsou jedním z nástrojů, které rádi používáme, geneticky kódované indikátory vápníku.
00: 13: 27.23 Jedná se o fluorescenční proteiny založené na „zeleném fluorescenčním proteinu“
00: 13: 32.05, které v sobě obsahují protein vázající vápník „kalmodulin“
00: 13: 35,29 a také peptid, který se váže na kalmodulin, pokud je přítomen vápník.
00: 13: 40.25 Prostřednictvím genetického inženýrství a biochemických studií
00: 13: 43.13 Junichi Nakai a další vytvořili verze těchto proteinů, které zvyšují fluorescenci
00: 13: 49.06, když jsou vázány na vápník, a jsou méně fluorescenční, pokud nejsou vázány na vápník.
00: 13: 53.28 To je pro nás užitečné, protože vápník je dobrým reportérem, když je neuron aktivní.
00: 13: 59.20 Když jsou neurony depolarizovány, otevírají napěťově řízené kalciové kanály,
00: 14: 04.07, což vede ke zvýšení vápníku v buňce.
00: 14: 07.03 A proto je zvýšení fluorescence proteinu spojeno s
00: 14: 11.07 zvýšení vápníku vám řekne, když je neuron depolarizován.
00: 14: 16.04 Chcete -li monitorovat konkrétní neuron,
00: 14: 17.27 pak využíváme výhod výkonných transgenních nástrojů v C. elegans
00: 14: 22.04 k expresi tohoto geneticky kódovaného fluorescenčního proteinu
00: 14: 25.02 pouze v jediném druhu požadovaného neuronu,
00: 14: 27.23 se v tomto případě v neuronu AWC zeptat, kdy je tento neuron aktivní.
00: 14: 35.20 Nyní je k monitorování aktivity těchto neuronů zapotřebí třetí komponenta,
00: 14: 39,22 a to je to, že musíme být schopni červa udržet v klidu a
00: 14: 42,29 dodávají pachy v přesných vzorcích při monitorování fluorescenční intenzity AWC neuronu.
00: 14: 50.05 Děláme to vypůjčením technologie zpět od strojírenství,
00: 14: 54.05 od křemíkového čipu, průmyslu, k biologii, nazývané mikrofabrikace.
00: 14: 58.23 A stavíme speciální lapače červů, které mají červí dimenzi,
00: 15: 02.21, které nám umožňují držet červa v opticky průhledném prostředí,
00: 15: 07.23 a přitom jej omezoval ve třech rozměrech a poté proudil různými druhy tekutin
00: 15: 11,20 kolem nosu červa při sledování intenzity fluorescence.
00: 15: 15.12 Tato mikrofluidní komora nám pak umožňuje kombinovat genetické nástroje
00: 15: 20.00 s chemickými nástroji ke sledování nervové aktivity.
00: 15: 25.13 A přesně to se na tomto obrázku děje.
00: 15: 28.17 Jedná se tedy o jeden AWC neuron exprimující geneticky kódovaný indikátor vápníku,
00: 15: 33.20 a uvidíte, když začne film, neuron začne žlutou úrovní fluorescence
00: 15: 39,05 a relativně nízká úroveň fluorescence v procesu neuronu.
00: 15: 42.26 Deset sekund po filmu dojde k přepnutí pachových podnětů a neuron se rozjasní.
00: 15: 49.22 Jasnější barva, intenzivnější barva, větší bílá barva v těle buňky neuronu,
00: 15: 54.21, všechny odrážejí skutečnost, že vápník vzrostl a neuron se stal aktivním.
00: 15: 59.17 Takže skutečně můžeme vidět, že AWC neuron reaguje na pachy změnou své aktivity.
00: 16: 06.23 Ale reaguje to způsobem, který jsme nečekali,
00: 16: 10.06, protože AWC neurony nejsou aktivovány, když jsou červům prezentovány pachy.
00: 16: 15.26 Když se podíváme na intenzitu fluorescence a zobrazíme ji v grafu za přítomnosti zápachu,
00: 16: 20.05 je, pokud vůbec něco, o něco méně intenzivní, než by bylo při absenci zápachu.
00: 16: 26.27 Místo toho se AWC neurony aktivují, když je odstraněn zápach.
00: 16: 31.21 To vede k velkému zvýšení intenzity fluorescence,
00: 16: 34,21 indikující depolarizaci a přítomnost vápníku.
00: 16: 38.08 Zdá se tedy, že tyto neurony fungují obráceně.
00: 16: 41.13 Jsou inhibovány pachy, jejich přirozenými podněty.
00: 16: 44.28 Jsou aktivní, když jsou odstraněny pachy.
00: 16: 47.24 A jen vám chci připomenout, že červ musí vytvářet chování, když je odstraněn zápach.
00: 16: 53.02 Když je zápach odstraněn, červ se začne otáčet.
00: 16: 56.00 Takže aktivita neuronu koreluje s výstupem chování, nikoli se vstupním podnětem.
00: 17: 05.18 Takže nyní můžeme říci něco o tomto prvním neuronu, který interaguje s pachy.
00: 17: 10.25 Jak komunikuje s cílovými neurony, které pak převádějí tyto informace na chování?
00: 17: 17.10 Způsob, jakým to studujeme, je studiem procesu synaptického přenosu.
00: 17: 21.15 Neurony se k sobě připojují ve specializovaných strukturách zvaných synapse,
00: 17: 25.08 kde presynaptický neuron, upstream neuron, v tomto případě AWC,
00: 17: 29.28 uvolní vezikuly naplněné neurotransmiterem a tyto neurotransmitery
00: 17: 33.24 budou interagovat s receptory na postsynaptickém neuronu, zde znázorněnými šedě.
00: 17: 39.01 Jeden druh neurotransmiteru, který uvolňují neurony, je glutamát, aminokyselina,
00: 17: 45.25 a glutamát je zabalen do speciálních synaptických váčků molekulou zvanou
00: 17: 49,25 „transportér vezikulárního glutamátu“ nebo EAT-4 u C. elegans.
00: 17: 54.25 Tuto molekulu EAT-4 můžeme použít k sondě působení synapsí v AWC neuronu.
00: 18: 02.27 Můžeme to udělat použitím mutantů v EAT-4 k deaktivaci transportéru
00: 18: 07.26 a tedy schopnost AWC uvolňovat glutamát.
00: 18: 11.19 A můžeme se tedy zeptat,
00: 18: 13.09 jaké druhy chování může zvíře vytvářet v nepřítomnosti tohoto vysílače glutamátu?
00: 18: 18.15 A pamatujte, že soustružení je odrazem reakce na odstraňování zápachu,
00: 18: 23.22 důležitou složkou chování chemotaxe a že to můžeme kvantifikovat.
00: 18: 26.27 Takže vysoká úroveň „1“ je vysoká úroveň otáčení.
00: 18: 31.13 V červené barvě je zde mutant jíst-4.
00: 18: 33.15 Mutant eat-4 se neotáčí efektivně, když je odstraněn zápach,
00: 18: 37,21, což nám naznačuje, že glutamát je jako neurotransmiter pro toto chování soustružení nutný.
00: 18: 43.04 A když obnovíme EAT-4 pouze v neuronech AWC pomocí specifického transgenu,
00: 18: 48.22 obnovujeme většinu chování při soustružení.
00: 18: 51.01 A můžeme tedy říci, že glutamát z AWC podporuje soustružení.
00: 18: 57.25 Takže nyní máme přehled o prvním kroku toho, jak AWC komunikuje se svým cílem:
00: 19: 03.10 Používá EAT-4 k balení glutamátu do vezikul, uvolňuje glutamát,
00: 19: 08.06 a to pak musí působit na cílové neurony.
00: 19: 10.23 Jak komunikuje s cílovými neurony?
00: 19: 12.26 Jak komunikuje s těmito třemi různými neurony, se kterými vytváří spojení?
00: 19: 17.00 No, musí to udělat prostřednictvím glutamátových receptorů,
00: 19: 20.04 proteiny, které jsou exprimovány na cílových neuronech, které jim umožňují detekovat uvolněný glutamát.
00: 19: 25.11 A zjistili jsme, že existují dvě třídy glutamátových receptorů
00: 19: 28.22, které jsou důležité pro toto konkrétní chování.
00: 19: 31.29 Existuje glutamátem řízený kationtový kanál, je to excitační receptor zvaný GLR-1.
00: 19: 38.01 A je tu také chloramátový kanál s glutamátem,
00: 19: 41,05 aniontový kanál, který je inhibičním receptorem nazývaným GLC-3.
00: 19: 45.14 Tyto dva glutamátové receptory,
00: 19: 47.11, které mohou generovat dva různé druhy reakcí v cílových neuronech,
00: 19: 50,20 jsou důležité pro komunikaci AWC se svými cíli.
00: 19: 56.26 Můžeme to prokázat pomocí kvantitativních behaviorálních testů
00: 20: 02.18 a přímým pozorováním aktivity cílových neuronů,
00: 20: 06.18 což provádíme pomocí geneticky kódovaných indikátorů vápníku.
00: 20: 10.15 Nyní, místo abychom je vyjádřili v AWC, je vyjádříme v následných neuronech,
00: 20: 15.24 jako AIB.
00: 20: 17.18 AIB je jedním z neuronů, které přijímají synapsí z AWC,
00: 20: 21.16 a vidíme, že AIB, stejně jako AWC, reaguje na odstraňování zápachu zvýšením vápníku.
00: 20: 29.06 Tato odpověď zmizí, pokud je zabit neuron AWC,
00: 20: 33.21 a také zmizí u zvířete, kterému chybí glutamátový receptor GLR-1.
00: 20: 38.17 GLR-1 je v AIB vyžadován pro AIB pro snímání glutamátového signálu z AWC.
00: 20: 46.09 Tento excitační glutamátový receptor vysílá excitační signál ze senzorického neuronu do interneuronu.
00: 20: 56.03 Dále jsme se podívali na interneurony AIA a AIY.
00: 21: 01.09 Tyto neurony také reagují na pachy,
00: 21: 04.05, ale tyto neurony reagují na AWC opačně.
00: 21: 08.12 AIA a AIY reagují zvýšeným přidáním vápníku k zápachu,
00: 21: 13.22 došlo ke změně znaménka signálu mezi senzorickým neuronem a interneuronem.
00: 21: 18.21 Nereagují na odstraňování zápachu.
00: 21: 21.19 Nyní tato reakce na přidání zápachu stále vyžaduje AWC,
00: 21: 25.19 a vyžaduje to glutamátový receptor.
00: 21: 28.04 Vyžaduje GLC-3, glutamátem řízený chloridový kanál.
00: 21: 32.21 Tento inhibiční receptor slouží k přenosu signálu z excitovaného AWC
00: 21: 38.18 do signálu, který bude inhibovat downstream neurony,
00: 21: 42.06, takže navazující neurony AIA a AIY reagují opačně
00: 21: 47,00 na pachy než AWC proti proudu neuronu.
00: 21: 52.24 Když tedy dáme tyto informace dohromady, zde vlevo
00: 21: 56.09 můžeme sestavit pachový obvod C. elegans.
00: 21: 59.26 Můžeme říci, že atraktivní pachy inhibují čichové neurony AWC,
00: 22: 04.16, že čichové neurony AWC nyní uvolňují glutamát
00: 22: 08.03 na dvě třídy následných neuronů prostřednictvím dvou tříd receptorů.
00: 22: 12.16 Vzrušují jednu třídu neuronů, neurony AIB,
00: 22: 15.25 prostřednictvím excitačního glutamátového receptoru.
00: 22: 18.14 Inhibují jiné třídy neuronů, AIA a AIY neurony,
00: 22: 22.17 prostřednictvím inhibičního glutamátového receptoru.
00: 22: 25.15 Rozdělením informací tímto způsobem
00: 22: 27.15 neurony AWC nyní transformovaly informace do dvou proudů:
00: 22: 32.00 Jeden signalizuje výskyt zápachu, reakci „zápach zapnut“
00: 22: 35.17 druhý proud signalizuje zmizení zápachu, reakci „zápach vypnut“.
00: 22: 40.26 Je pozoruhodné, že když prozkoumáme tento obvod,
00: 22: 43.12 vypadá podobně jako jiný senzorický obvod, který byl dobře charakterizován,
00: 22: 47,14 a to je obvod, který slouží ke shromažďování světla v sítnici obratlovců,
00: 22: 51.18 ve vlastním oku.
00: 22: 53.14 Takže ve vašem oku je světlo shromažďováno tyčovými a kuželovými fotoreceptory.
00: 22: 58.15 Tyče a kužely jsou aktivní ve tmě
00: 23: 00.29 jsou inhibovány světlem, jejich přirozeným podnětem,
00: 23: 04.03 stejně jako jsou AWC neurony inhibovány pachy.
00: 23: 08.12 Tyče a šišky uvolňují glutamát, aby komunikovaly se svými cíli,
00: 23: 12.04 a mají dvě hlavní třídy cílových neuronů.
00: 23: 14.28 Cílové neurony se nazývají bipolární buňky.
00: 23: 17.24 Jedno spojení probíhá přes excitační glutamátový receptor, a proto
00: 23: 22.24 tyto neurony mají stejný vzorec aktivity jako fotoreceptory.
00: 23: 27.01 Jsou to takzvané „VYPNUTÉ“ bipolární buňky, které signalizují zhasnutím světla.
00: 23: 31.26 Další třída neuronů je spojena přes inhibiční glutamátové receptory.
00: 23: 36.01 Proto se těmto neuronům říká "ON" bipolární buňky, které signalizují rozsvícením světel.
00: 23: 43.05 Takže při porovnání těchto různých neurálních obvodů
00: 23: 45.19 můžeme říci, že u čichového systému červů a u zrakového systému obratlovců
00: 23: 50.23 ke zpracování smyslových informací se používají některé stejné principy.
00: 23: 55.02 Diferenciální signalizace vzhledu a vymizení stimulu,
00: 23: 59.16 diferenciální signalizace prostřednictvím různých tříd glutamátových receptorů,
00: 24: 03.01 k rozdělení informací prostřednictvím různých obvodů.
00: 24: 05.22 Tento druh vhledu nás pomáhá přesvědčit, že mohou existovat zásady
00: 24: 09.10 pro neurální obvody, které platí v různých systémech,
00: 24: 12.16, což nám pomůže porozumět zpracování informací.
00: 24: 16.01 Řekl jsem vám, že AWC komunikuje se třemi downstream neurony,
00: 24: 20.19 pomocí glutamátu k odeslání komplexních informací o vstupním stimulu
00: 24: 24.25 na různé navazující sady.
00: 24: 28.23 Kromě toho má AWC další způsob komunikace se svými cíli,
00: 24: 33.04, protože AWC neuvolňuje pouze glutamát,
00: 24: 35,23 uvolňuje druhý vysílač, neuropeptidový neurotransmiter nazývaný NLP-1.
00: 24: 41.15 NLP-1 je příbuzný neuropeptidů zvaných bukcalin u jiných zvířat,
00: 24: 46,02 a signály NLP-1 prostřednictvím receptoru spřaženého s proteinem G, nazývaného NPR-11.
00: 24: 52.04 NPR-11 je exprimován na některých downstream neuronech od AWC,
00: 24: 57.18, ale ne všichni, včetně neuronů AIA.
00: 25: 01.09 Takže glutamát se uvolňuje z AWC na několik neuronů a navíc
00: 25: 05.29 neuropeptid se uvolňuje z AWC na podskupinu těchto neuronů.
00: 25: 12.29 Jaká je funkce NLP-1?
00: 25: 15.18 Můžeme o to požádat vyšetřením zvířat, která jsou mutantní pro neuropeptid NLP-1
00: 25: 21.00 nebo mutant pro svůj receptor,
00: 25: 22.27 a poté srovnání jejich chování s chováním zvířat divokého typu.
00: 25: 27.13 A zjišťujeme, že funkcí NLP-1 je antagonizovat
00: 25: 32.17 glutamátový signál ze stejného AWC neuronu.
00: 25: 36.17 Toto je zde tedy znázorněno na kvantitativním chování soustružení, které měří výkon AWC.
00: 25: 42.11 Takže divoké zvíře, zobrazené zde v bílém,
00: 25: 44,29 se bude otáčet přibližně jednou za minutu v reakci na odstranění zápachu.
00: 25: 48.22 Tyto zatáčky jsou absolutně závislé na glutamátovém signálu z AWC.
00: 25: 52.29 Jak ukazuje tento mutant, jednoduše neexistují žádné obraty, když chybí glutamát AWC.
00: 26: 00.06 Ale když se podíváme na mutanta nlp-1, vidíme, že existují obraty.
00: 26: 03.25 Ve skutečnosti existuje více zatáček, než by bylo u divokého zvířete.
00: 26: 07.21 Takže AWC vysílá signál ke stimulaci otáčení (glutamátový signál),
00: 26: 12,20 a vysílá druhý signál, který brání otáčení (signál NLP-1).
00: 26: 17.23 Je to omezení vlastního výstupu generováním těchto dvou antagonistických signálů.
00: 26: 24.08 Dále jsme se zeptali, jak tento signál interaguje s obvodem
00: 26: 29.12 ovlivnit aktivitu různých neuronů.
00: 26: 32.20 A tady došlo k velkému překvapení.
00: 26: 35.14 Zkoumali jsme tedy mutant nlp-1 a mutanty v jeho receptoru NPR-11,
00: 26: 40,17, abychom zjistili, kde se aktivita v okruhu změnila ve srovnání s aktivitou zvířat divokého typu.
00: 26: 45.25 Viděli jsme změny v aktivitě neuronů nejen v cílových neuronech po proudu
00: 26: 51.16 jsme viděli změny v samotném AWC.
00: 26: 54.23 Čichový neuron reaguje na pachy odlišně
00: 26: 58,01 v závislosti na aktivitě tohoto peptidového systému.
00: 27: 01.21 Takže to můžeme vidět zde na zobrazovacích experimentech s vápníkem
00: 27: 05.08 reakce AWC neuronů na odstranění zápachu.
00: 27: 08.23 U divokého typu vykazují ostrou a krátkou odezvu.
00: 27: 12.06 U zvířat, kterým chybí peptid NLP-1 nebo jeho receptory,
00: 27: 16.27 místo toho vidíme déle trvající reakci a opakované reakce,
00: 27: 20.21, což naznačuje, že AWC neuron zůstává aktivní déle po odstranění zápachu.
00: 27: 28.17 Nyní AWC uvolňuje tento signál, receptor pro tento signál v neuronu za ním.
00: 27: 34.23 Jak se tato informace vrací do AWC?
00: 27: 38.15 Odpovědí je, že následný neuron uvolňuje další signál, signál zpětné vazby,
00: 27: 44,20, což je inzulín podobný peptid, který se vrací do AWC neuronu, aby upravil jeho aktivitu.
00: 27: 50.26 Takže signál z AWC hovoří s cílovým neuronem,
00: 27: 54.07 cílový neuron poté vyšle signál zpět do AWC,
00: 27: 57.13 a opět použití tohoto signálu omezuje aktivitu AWC neuronu.
00: 28: 02.12 Zpětná vazba brání AWC v jejich delším generování
00: 28: 06.03 nebo opakující se reakce na odstranění zápachu.
00: 28: 11.29 Zdá se tedy zvláštní, že bude generovat neuron
00: 28: 14.21 pozitivní i negativní reakce.
00: 28: 16.29 Jaký by mohl být účel generování signálu negativní zpětné vazby?
00: 28: 21.13 Abyste tomu porozuměli, měli byste pochopit, že
00: 28: 24.02 u zvířat je preference zápachu upravena jeho zkušeností se zápachem.
00: 28: 28.10 A to lze ilustrovat různými způsoby,
00: 28: 31.15, ale jedním jednoduchým způsobem je, že když jsou zvířata vystavena zápachu bez jídla,
00: 28: 35.25 pomalu se přizpůsobují zápachu, takže je už nepřiláká.
00: 28: 40.15 To způsobuje, že zvířata dávají přednost novým pachům,
00: 28: 43,18 nebo pachy spárované s jídlem,
00: 28: 45.14 na pachy, které byly pozorovány při nedostatku jídla,
00: 28: 49.02 a představuje zjevně dobrou strategii chování pro hledání pachů
00: 28: 53.11, které by mohly v budoucnu předpovídat jídlo.
00: 28: 56.00 To lze kvantifikovat zde, kde je zde přitažlivost pro zápach znázorněna černě,
00: 28: 59,22 kapek po 60 minutách, kdy jste viděli zápach bez jídla,
00: 29: 03.04 a klesá ještě dále po dvou hodinách, kdy viděl zápach bez jídla.
00: 29: 09.03 Tato změna aktivity závislé na zápachu vyžaduje zpětnou vazbu neuropeptidů
00: 29: 16.10, která omezuje aktivitu AWC.
00: 29: 19.06 Pokud odstraníte buď NLP-1, nebo jeho receptor NPR-11
00: 29: 24.13 nebo signál zpětné vazby INS-1, který převádí tyto informace zpět na AWC,
00: 29: 29.19 pak zvířata, která byla vystavena zápachu, přizpůsobená zvířata, jak je ukázáno zde,
00: 29: 34.05 nadále reagují na zápach i po dlouhém spárování zápachu při nedostatku jídla,
00: 29: 40.07 kde zvířata divokého typu ztratí svou odpověď.
00: 29: 44.09 Adaptace vyžaduje funkci NLP-1 v AWC neuronech
00: 29: 49.22 a funkce NPR-11 a INS-1 (signál zpětné vazby) v neuronech AIA.
00: 29: 56.04 A tak můžeme tento konkrétní negativní zpětnou vazbu mapovat na konkrétní
00: 30: 01.09 negativní zpětná vazba, která musí nastat, aby vedla užitečné čichové chování:
00: 30: 06.10 čichová adaptace.
00: 30: 09.14 Aktivita této zpětnovazební smyčky je pozorována nejen na úrovni chování,
00: 30: 13.23, ale také na úrovni neuronálních reakcí,
00: 30: 17.01, protože když zkoumáme aktivitu AWC neuronů po dlouhém působení vysokého zápachu,
00: 30: 23.06, jak je zde uvedeno černě, jednoduše přestanou reagovat na zápach
00: 30: 27.17, pokud byl zápach přítomen v nepřítomnosti jídla.
00: 30: 30.26 A toto potlačení jejich reakce je u zvířat vadné
00: 30: 36.05, kterým chybí signál zpětné vazby neuropeptidů, jak je zde znázorněno červeně,
00: 30: 39,29, které nadále reagují na zápach, i když již nepředpovídá přítomnost jídla.
00: 30: 50.07 Takže závěr této části rozhovoru je, že zpětná vazba neuropeptidů,
00: 30: 55.04 překrývající základní funkci obvodu, tvaruje senzorickou dynamiku:
00: 31: 01.06 Že senzorické neurony jako AWC reagují na pachy ne jediným způsobem,
00: 31: 05.17, ale různými způsoby v závislosti na aktivitě obvodu zpětné vazby
00: 31: 09.20, že pokud dojde ke ztrátě tohoto okruhu zpětné vazby, senzorické neurony reagují déle a s více podněty
00: 31: 16.14, že pokud je obvod zpětné vazby přítomen, reagují krátkým podnětem
00: 31: 20.07 a že pokud je obvod zpětné vazby silně aktivován čichovou adaptací,
00: 31: 24.25 smyslové neurony přestávají reagovat,
00: 31: 26.23 umožňující zvířatům potlačit reakci na tento zápach a reagovat na nové pachy.
00: 31: 34.08 A závěr této přednášky je, že obvody se v čase mění, že obvody nejsou pevné,
00: 31: 41.09, že aktivně formují a transformují smyslové informace.
00: 31: 45.05 Tyto informace nepřijímají pouze pasivně.
00: 31: 48.03 A navíc obvody mění své vlastní vlastnosti
00: 31: 51.05 na základě senzorických informací v reálném čase.
00: 31: 55.12 Tento proces, tato dynamická a aktivní interpretace informací,
00: 32: 00.18 umožňuje obvodům provádět složité výpočty a výpočty.
00: 32: 05.14 Když vezmete jen to, co jsem vám řekl o tomto malém okruhu jen několika neuronů C. elegans,
00: 32: 11.06, můžete si uvědomit, že když to vynásobíte miliardami neuronů v lidském mozku,
00: 32: 15.21, může začít vysvětlovat, proč může lidský mozek generovat
00: 32: 19.17 nekonečný počet vjemů, vzpomínek a chování.
00: 32: 23.18 Děkuji.

  • Část 1: Geny, mozek a chování


Podívejte se na video: NERVOVÁ SOUSTAVA - Zaostřeno na neuron (Listopad 2021).