OBECNÁ NEUROFYZIOLOGIE

A. Stavba nervového systému A1. Neuron - synapseA2. Extraneuronální komponenty:

1) neuroglie2) mozkomíšní mok3) extracelulární prostor

B. Funkční projevy nervového systémuB1. ReflexB2. PodnětB3. PodrážděníB4. Vzruch

C. Periferní nerv

D. Vztahy mezi neurony

A. STAVBA A FUNKCE NERVOVÉHO SYSTÉMU

A1. NEURON

= Základní funkční a anatomická jednotka nervové soustavy- 1835 – popis neuronu: J. E. Purkyně

- Tělo (soma): neuroplazma (mitochondrie, ribozomy, hladké a a granulární endoplazmat. Retikulukum), jádro, jadérko

- Výběžky: 1. Dendrity - příjem vstupní informace, větví se, na povrchu-

dendritické trny, fce- modulace postsynapt. potenciálu

2. axon (neurit) – vede vzruch směrem od těla neuronu, jedinástruktura vedoucí vzruch, transport látek z těla do distální části axonu – telodendrií, iniciální segment axonu a axonový hrbolek –vznik vzruchu v neuronu, myelinová pochva- rychlost přenosu

Myelinová pochva - čím silnější, tím rychlejší přenos vzruchu- přerušována Ranvierovými zářezy, délka mezi zářezy- internodia

SYNAPSE

- 1897- Sherrington= český termín: zápoj (1947 - V. Laufberger) , 1784- Prochaska jako

„spojky nervové“

= všechny funkční kontakty mezi membránou dvou buněk, z nichžalespoň jedna je neuronálního původu. Prostřednictvím těchto kontaktůjsou zprostředkovány trofické vlivy a především přenos nervových vzruchů (synaptická transmise).

1. Elektrické synapse 2. Chemické synapse - přenos zprostředkován pomocí mediátoru

(transmiteru), typický u člověka a vyšších obratlovců, komplexní, inhibice i excitace, trvání ms až min.

3. Smíšené synapse – jak chemický tak i elektrický přenos vzruchu na jedné synapsi, hlavně u nižších obratlovců

Počet synapsí není stálý – zvýšení či snížení počtu synapsí závisí:a) na vývojib) na aktivitě bb.

= plasticita (paměť, VNČ)

SYNAPSE

Neuron – vytváří cca 1000 synaptických spojení

- příjem cca 10 000

(Purkyňovy bb. mozečku –100 000 vstupů)

1. ELEKTRICKÉ SYNAPSE

– přenos vzruchové aktivity mezi neurony- gap junction (2nm) a tightjunction, u savců ojedinělý typ synapse, rychlé, stereotypní vedení- AP v presynaptické části tvoříproud, který se pasivně přenáší do postsynaptického elementuVýskyt:- na gliových buňkách – spojení

astrocytů – síť- zvýšení komunikace u jednébuňky – Schwannova b., lamely jsou navzájem spojeny gapjunction – metabolity a ionty

- mezi neurony – během vývoje, pak počet klesá, významné pro RF-růst, diferenciace

2. CHEMICKÁ SYNAPSE

2 základní útvary:1. Presynaptický útvar – vakovité rozšíření axonu obsahující synaptické

váčkyPoté, co vzruch dosáhne presynapt. útvaru, zvyšuje se permeabilitapresynapt. membrány pro Ca2+, kalcium vtéká do buňky, váčky se hromadí u synaptické štěrbiny („aktivní zóna“ synapse) a uvolňujíexocytotickým mechanismem mediátor do synaptické štěrbiny

2. Postsynaptický útvar - receptory pro mediátor (receptory, které jsou součástí iontového kanálu nebo receptory spřažené s G proteiny), po vazbě mediátoru na receptor dojde ke zvýšení propustnosti pro ionty:a) Na+ - vznik excitačního postsynaptického potenciálu (EPSP) –depolarizace, podstata excitace na synapsib) K+ a Cl- - inhibiční postsynaptického potenciálu (IPSP)-hyperpolarizace, podstata útlumu na synapsi

Stavba: část presynaptickáčást postsynaptickásynaptická štěrbina (20 – 40 nm)

Přenos informace: neurotransmiter z presynaptické části (v místě aktivní zóny)exocytóza – vazba na receptory postsynaptické membrány

EPSP i IPSP vykazují časovou a prostorovou sumaci. Jediná depolarizační změna EPSP je hluboce podprahová (2-4 mV),

tyto podprahové potenciály se mohou sčítat až do spouštěcí úrovně(7,5-15 mV), kdy se vybaví na axonovém hrbolku vzruch.

IPSP (2-5 mV) je podstatou synaptického útlumu.

Obecné schéma chemické transmise:1. Syntéza mediátoru v presynaptickém útvaru2. Skladování mediátoru v presynaptickém útvaru a jeho výdej do synaptické

štěrbiny3. Interakce s receptorem postsynaptické membrány4. Odstranění mediátoru ze synaptické štěrbiny

MEDIÁTORY (TRANSMITERY, PŘENAŠEČE)

1. Nízkomolekulární mediátory2. Neuroaktivní peptidy

Musí splňovat 4 kritéria: 1. Látka je syntetizována v neuronu2. Látka je přítomna v presynaptickém zakončení a je uvolňována v

množství, které je dostatečné pro vyvolání jejího specifického účinku na postsynaptickém neuronu nebo efektoru

3. Pokud je látka podána exogenně v odpovídající koncentraci, napodobí přesně účinek endogenně üvoolněného mediátoru

4. Existuje specifický mechanismus pro odstranění látky z místa jejího účinku (tj. ze synaptické štěrbiny)

NEUROMODULÁTORY- Nezprostředkují bezprostředně přenos vzruchu, ale jejich uvolnění

vede ke změně citlivosti postsynaptického útvaru k vlastnímu mediátoru

- Endorfiny, enkefaliny, NO, CO

NERVOSVALOVÁ PLOTÉNKA

- do skupiny chemických synapsí- kontakt mezi motorickým nervovým vláknem (axonem) a vláknem svalovým

- širší (50-70nm) synaptická štěrbina než v CNS, primární a sekundárnísynaptická štěrbina způsobená invaginacemi postsynaptické membrány svalového vlákna

- mediátor- acetylcholin, receptor- nikotin ( Na+ kanál)- vzhledem k velikosti ploténky, množství aktivovaných receptorů a hustotě napěťově řízených Na+ kanálů v okolí ploténky, může svalovábuňka reagovat na každý vzruch přicházející do nervového zakončeníakčním potenciálem

- místní depolarizace= ploténkový potenciál- při náhodném kontaktu váčku s presynaptickou membránou dochází k aktivaci malého počtu nikotinových receptorů a tím i depolarizaci menšínež 1mV = miniaturní ploténkový potenciál

Nervosvalová ploténka

TYPY SYNAPSÍ

Typ synapse

Vzdálenost mezi pre a postsynaptickou částí

Kontinuita mezi cytopl.

Morfologický podklad

Způsob přenosu

Synaptickézpoždění

Směr přenosu

Elektrická

Chemická

3,5 nm

20 – 40 nm

Ano

Ne

Gap junction

Vesikly, aktivnízóny,postsynaptickéreceptory

Tok iontů

Mediátor

Téměř 0

0.3 ms1 – 5 msi déle

obousměrný

jednosměrný

VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ MOZKU

A2. EXTRANEURONÁLNÍ KOMPONENTY:

1. neuroglie (50% celulárního objemu V CNS)2. mozkomíšní mok3. extracelulární prostor (15-20% mozku bez likvoru)

1. NEUROGLIE (GLIOVÉ BUŇKY)

- Podpůrná funkce, vyživují nervové buňky, chrání nervové buňky, fagocytují poškozené neurony, odstraňuje neurotransmitery z ECT

- v CNS:1. Ependymové buňky – fylogenet. i ontogenet. nejstarší, výstelka

dutin CNS, fce- pohyb likvoru, transcelulární transport2. Astrocyty – rozvětvené hvězdicovité buňky s výběžky, fce -

podpůrná, výživa, fce HEB3. Oligodendroglie – tvoří myelinové pochvy neuronů (1 buňka rotuje

kolem 35 axonů) Xv PNS- obdoba Schwannovy buňky – 1 buňka rotuje kolem jednoho axonu

4. Mikroglie (Hortegovy glie) - nejmenší v CNS, nejmenší počet, pohyblivé a schopné fygocytózy- obranná a úklidová funkce za patologických stavů

- v PNS:1. Schwannovy buňky - metabolická funkce, fagocytóza2. Satelitní buňky (amficyty) - metabolické porcesy gangliových

buněk

Význam: astroglie -podpora, homeostáza neuronů (glukóza, ionty)oligodendroglie - myelinmikroglie – specializované makrofágyependym

2. MOZKOMÍŠNÍ MOK (CEREBROSPINÁLNÍ TEKUTINA, LIKVOR)

-CNS obklopen 3 membránami mening:- Dura mater – pod ní subdurální prostor – malé množ. tkáňové tekutiny- Arachnoidea- pod ní subarachnoideální prostor – mozkomíšní mok- Pia mater

Tvorba likvoru: 0,5 ml/min., tj. 720l/24 hod., celkový objem 120ml- většina v plexus chorioideus (především v postranních komorách a III. komoře), dále jde do IV. komory, cisterny na bázi mozku a do subarachnoidálního prostoru

Absorpce likvoru- do venózního systému prostřednictvím arachnoidálních klků ve velkých venózních sinusech na konvexitě mozku

Složení likvoru- čirá, bezbarvá tekutina, spec. hmotnost 1003-1008, počet buněk < 5 v 1 mm3 (malé lymfocyty nebo monocyty), pH 7,33 je konstatní i při změnách pH plazmy

Likvorový tlak- vleže při lumbální punkci 0,7-1,4 kPa (70-140 mm H2O), vsedě jsou hodnoty 2x vyšší

Funkce likvoru- ochranná funkce- nadnáší mozek, rozkládá jeho váhu a tlumí a distribuuje sílu případného úderu do hlavy

- vyrovnává změny objemu mozkové tkáně a změny náplně cév- trofická a distribuční role

3. EXTRACELULÁRNÍ PROSTOR CNS

-15-20% mozku bez likvoru- ! stálé udržení koncentrace jednotlivých složek extracelulární tekutiny

(ECT) – ionty K+ (depolarizace nebo hyperpolarizace extrac. prostoru), 3-10 mmol/l, řízení kaliové rovnováhy- neuroglie- nadbytek kalia je z ECT odstraňován 3 mechanismy:a) difúzeb) tok kalia přes glii = PROSTOROVÉ PUFROVÁNÍc) aktivní transport zpět do nervové buňky

HEMATOENCEFALICKÁ BARIÉRA (HEB)= transport látek z krve do mozku - do tkáně CNS

- z krve do mozkomíšního moku (likvoru) - HEMATOLIKVOROVÁBARIÉRA

- z likvoru do tkáně CNS – LIKVORENCEFALICKÁ BARIÉRA

Morfologický podklad HEB tvoří struktura mozkových kapilár, které se značně odlišují od kapilár systémových.Významnou roli hraje organizace neuroglie.

HEMATOENCEFALICKÁ BARIÉRA (HEB)

1. Přítomnost pravých „tight junction“ v endotelu kapilár2. Absence fenestrací ve stěně kapilár3. Nízká aktivita transportních vezikulů v buňkách endotelu a pinocytózy4. Velmi těsný kontakt mezi výběžky astrocytů

Z uvedeného vyplývá:

1. Existence buněčné polarity a asymetrie ve funkci luminální a abluminální membrány (aktivnější transport ve směru mozek-krev)

2. Téměř vyloučený prostup vysokomolekulárních roztoků HEB3. Význam transcelulární cesty pro nízkomolekulární roztoky

HEMATOLIKVOROVÁ BARIÉRA (HLB) – oblast plexus chorioideus

1. Kapiláry v plexus chorioideus jsou permeabilní – gap junction(nízkomolekulární látky) mezi buňkami endotelu

2. Fenestrace ve stěně kapilár3. V buňkách endotelu – mikrovezikuly, pinocytóza4. Epitel plexus chorioideus – tight junction – prostupnější než než tight

junction v mozkových kapilárách – význam pro tvorbu likvoru

LIKVORENCEFALICKÁ BARIÉRA (LEB)- úzké extracelulární protstory mezi jednotlivými buňkami v CNS a jejich výběžky

Transportní mechanismy HEB1. Prostá difúze a prostup iontovými kanály - lipoidní látky, malé

neutrální molekuly (O2, CO2 a voda)2. Aktivní transport- stereospecifický- jen D-glukóza a ne L-glukóza,

laktát, AMK( L-tyrozin, L-glutamát, L-argini), adenin, adenozin,na abluminální membráně: Na+-K+ pumpa (Na+-K+ ATPáza)

3. serotonin, acetylcholin, enkefaliny a dalí peptidy- částečně blokovány nebo inaktivovány enzymy endotelových buněk

REGIONÁLNÍ ODLIŠNOSTI V HEB

Cirkumventrikulární orgány(plexus chorioideus, organum vasculosum, subfornikální orgán, laminaeterminales, eminentia medialis, epifýza, neurohypofýza a area postrema)- fenestrace kapilár- gap junction endotelu kapilár- ependymové buňky- na povrchu řasinky, do ependymu zabudovány specializované buňky- tanycyty- dlouhé výběžky do okolí

B. FUNKČNÍ PROJEVY NERVOVÉHO SYSTÉMU

B1. REFLEX= funkční jednotka nervové soustavy - odpověď organismu na dráždění receptorů, zprostředkovaná CNS- reflexní oblouk - dráha reflexu: receptor - dostředivá (aferenetní) dráha – centrum - odtředivá(eferentní) dráha – efektor

Klasifikace reflexů:podle počtu synapsí: monosynaptické X polysynaptické (interneurony) podle receptoru: exteroreceptivní X interoreceptivní X proprioreceptivnípodle centra:

- extracentrální: axonové X gangliové- centrální: míšní X mozkové

podle efektoru: somatické X automnomnípodle podmínek a pevnosti spojení: podmíněné X nepodmíněné

Schéma reflexu

B2. PODNĚT (STIMULUS)

= každá změna zevního nebo vnitřního prostředí, která působí na neuron

• kvalita podnětu: energie mechanická, elektrická, chemická…..adekvátní podnět

• kvantita podnětu: podnět vyvolá vzruch pouze tehdy, pokud dosáhne určité intenzity= práh (prahový podnět) X podprahový podnět X nadprahový podnět - odpověď podle zákona „vše nebo nic“

• trvání podnětu: čím nižší intenzita podnětu, tím déle musí podnět působit - užitečný čas

• rychlost změny intentzity: při pozvolném plynulém zvyšování intenzity podnětu nevede ani mnohonásobné překročení prahu k vybavenívzruchu = vplížení podnětu

B3. PODRÁŽDĚNÍ

Iontové kanály v neuronální membráně jsou dvojího druhu:a) napěťově řízené X b) chemicky řízené(dendrity, soma neuronu)

Kde převažují tyto chemicky řízené iontové kanály, membrána je drážditelná pouze chemicky, reaguje na mediátor, neřídí se podle zákona „vše nebo nic“, na dráždění odpovídá pomalou lokální změnou membránového potenciálu („místní podráždění“), která trvá relativnědlouho (10ms i délenastupuje s delší latencí a nemá refrakterní fázi

Odpověď membrány:1. depolarizace: zvýšení permeabilioty pro Na+, K+, Cl- ionty

= excitační postsynaptický potenciál (EPSP) (excitace - vznik vzruchu)2. hyperpolarizace: zvýšení propustnosti pro K+ a Cl- ionty

= inhibiční postsynaptický potenciál (IPSP) (útlum)

Chemicky řízené iontovékanály

Napěťově řízené iontovékanály (Na+)Ca2+

B4. VZRUCH (IMPULS)

Kde převažují napěťově řízené kanály, membrána je drážditelná pouze elektricky, reaguje s krátkou latencí a výraznou refrakterní fází, reaguje podle zákona „vše nebo nic“, tj. neuron reaguje vzruchem, nebo nikoliv. Pokud reaguje vzruchem, tak vždy s maximální možnou intenzitou.Napěťově řízené kanály - membrána axonu, membrána svalového vlákna s výjimkou nervosvalové ploténky.Fyziologicky - vzniká vzruchu na axonovém hrbolku, šíření pouze jedním

směrem po axonu do periferie

Klidový membránový potenciál (KMP)

Rozdíl napětí mezi nitrem a povrchem buňky je na semipermeabilnímembráně: -50 až -90 mV- výsledek nerovnoměrného rozložení iontů uvnitř a vně membrány a specifické prostupnosti membrány pro jednotlivé ionty

Out + In -

K+

Na+

A-

Cl-

K+

-

Na+

- Goldmannova rovnice konstantního pole

Rozložení iontů uvnitř a vně membrány

Rovnovážný membránový potenciál (RMP)

- (EK) = síla pohánějící difúzi K+ ven (chemický gradient) právě tak veliká, jako síla potenciálu působící v opačném směru (elektrický potenciál), tzn., že elektrochemický potenciál pro K+ je roven nule.

- Nernstova rovnice

Akční potenciál (AP)

= šířící se vlna depolarizace- V průběhu průchodu vzruchu se KMP mění, dochází k depolarizaci (změna polarizace membrány), pokud dosáhne spouštěcí úrovně, depolarizace pokračuje až k transpolarizaci (překmitnutí do kladnýchhodnot), pak se membránový potenciál (EM) rychle navrací ke klidovéúrovni – repolarizace, mírná hyperpolarizace, pak návrat do KMPSpike (hrotový potenciál) = rychlá depolarizace a repolarizace,

Po dosažení spouštěcí úrovně náhle roste permeabilita pro Na+, napěťověřízené kanály pro Na+ se otevírají, Na+ vtéká do buňky – depolarizace ažtranspolarizaceK otevírání napěťově řízených K+ kanálů dochází opožděně, K+ vystupuje z buňky – repolarizaceNa+-K+ pumpa – obnovení původního rozložení iontů na membráně (3Na+

ven, 2K+ do buňky)

Napěťově řízené Na+ kanály

Napěťově řízené Na+ kanály

Změny dráždivosti vyvolané vzruchem

Absolutní refrakterní fáze – období hrotového potenciálu, jakkoliv intenzivní stimulace neuronu nevede ke vzniku AP

- Na+ kanály buď otevřené nebo v inaktivovaném stavu

Relativní refrakterní fáze – od konce hrotového potenciálu, AP potenciál lze vyvolat intenzivnějším podnětem než normálně (supranormální)

- část napěťově řízených Na+kanálů je v inaktivovaném stavu, napěťově řízené K+ kanály jsou otevřené, což omezuje možnost depolarziace membrány

Vedení vzruchu

Nemyelinizovaná vlákna:- místní elektrické proudy (proudové smyčky)- vzruch se šíří pouze jedním směrem, vzruch se šíří bez dekrementu a relativně pomalu

.

Myelinizovaná vlákna:- saltatorní vedení vzruchu, přeskakování v Ranvierově zářezu (nodiu)- rychlé vedení vzruchu

Rychlost vzruchu ovlivňuje průměr nervového vlákna, čím silnější, tím rychleji vede vzruch.

C. PERIFERNÍ NERV

- funkční jednotkou periferního nervu je periferní nervové vlákno- ve spinálním nervu tato vlákna jsou:1. eferentní neurity buněk předních rohů míšních 2. aferentní dendrity pseudounipolárních buněk spinálních ganglií- myelinizovaná X nemyelinizovaná

Typy nervových vláken (A, B, C)Classification of nerve fibresFibre type Function Axon diameter µ m Conduction

/ Myelin + - velocity, m per s

Aα (I) motor α - fibres 9-18/+ 70-120

spindle afferents (Ia)

tendon organs (Ib)

Aβ (II) touch and pressure 5-12/+ 30-75

Aγ (II) motor to muscle spindles

3-6/+ 18-36

Aδ (III) pain, pressure, temperature

1-5/- 4-30

B (III) preganglionic 3/- 3-12

C (IV) pain, touch, heat 1/- 1-2

D. VZTAHY MEZI NEURONY

1. Divergence- axony neuronů se větví a rozbíhají= divergují na značný počet neuronů

2. Konvergence- sbíhání centrifugálních výběžků neuronůna společné buňce

3. Sumace- prostorová- časová

4. Facilitace- založena na principu prostorové sumace- vzruchy z jedné skupiny aferentníchvláken působí na neuron pouze podprahově,ale společně usnadňují vybavení vzruchu

5. Okluze- kombinace forem sumace- součet efektů na postsynaptickém vláknu je při současném dráždění více afrentních vláken je menší než přiváděný jednotlivýmipresynaptickými vlákny

6. Inhibice- postsynaptická – IPSP (hyperpolarizace), Cl-, K+

- presynaptická

7. Únava= snižování dráždivosti synapse v průběhu opakované stimulace

8. Posttetanická potenciace= zvýšení excitability nervové tkáně (systému), k němuž dochází po

po předchozí opakované a dlouhotrvající stimulaci- dlouhodobá potenciace - adekvátní stimulace (nízká frekvencepo relativně dlouhou dobu, či krátká stimulace o vysokéfrekvenci)

- kindling (rozněcování, zažehování) – rytmická stimulace adekvátních parametrů opakovaná v pravidelných intervalech

- základní mechnismus formování paměťové stopy