neurobiologia

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

2/113

Neurobiologia

(wybrane zagadnienia „neuroscience”)

Podstawy hierachiczności i budowy SN
•Z perspektywy ewolucji system nerwowy ZWIĘKSZA SZANSE NA PRZEśYCIE I REPRODUKCJĘ

•Schemat budowy i funkcjonowania komórki nerwowej jest podobny u wszystkich zwierząt począwszy od
jamochłonów !
•Ogólny „plan” budowy CSN u wszystkich kręgowców jest TAKI SAM.

Camillo Golgi: teoria retikularna SN (sieciowa, „syncytialna”)

Ramon y Cajal: doktryna neuronalna (kaŜdy neuron jest niezaleŜną komórką)
Charles Sherrington: postulat synapsy od greckiego synaptein = łączyć (1897). 50 lat później zobaczono
synapsy w ME. On teŜ zdefiniował pojęcie odruchu. („The integrative action of nervous system” 1906).
Kompleks synaptyczny przypuszczalnie wywodzi się z desmosomów nabłonków.

Hierarchia systemów nerwowych

Najprostszy: hydra (stułbia) –

1) pierwsze czuciowe dwubiegunowe neurony (biegun recepcyjny i biegun transmisyjno-efektorowy).
Wyspecjalizowane komórki czuciowe pozwalają m.in. na pojawienie się róŜnych typów czucia.
Układ „od-do” (FUNKCJONALNA BIEGUNOWOŚĆ o fundamentalnym znaczeniu!) obowiązuje w
czuciowych neuronach takŜe u człowieka.
2) pierwsze neurony ruchowe (m) (pośredniczące między n.czuciowym i efektorem). Razem:  Od neuronu
czuciowego (jego dendrytów) poprzez (drugi) neuron ruchowy do efektora daje najprostszy łuk odruchowy.
(Wypustki między neuronami ruchowymi Cajal nazwał „amakrynowymi” .Nota bene  kk. amakrynowe
występują w siatkówce i opuszce węchowej.)
Są teŜ początki „centralizacji” dystrybucji neuronów (np. wokół otworu gębowego).
Cajal: teoria biegunowości czynnościowej. Konwergencja (motoneuron otrzymuje sygnały z wielu neuronów
czuciowych) i dywergencja.

Cnidaria: począwszy od stułbi mają SN

Robaki płaskie:

Symetria dwustronna; zróŜnicowanie (umownie) „grzbiet-brzuch” oraz „głowa-ogon” (cefalizacja)
Pojawia się interneuron (w tym amakrynowy = „niepolarny”). Interneuron moŜe działać jako „włącznik-
wyłącznik” oraz jako pacemaker. Interneuron „lokalny” i „projecting”. Najprostsze układy z cechami
centralizacji i cefalizacji.
Dendryty u bezkręgowców rozgałęziają się odchodząc od aksonów! (u kręgowców to aksony mogą odchodzić
od dendrytów)
Ludzki układ nerwowy jelita („enteralny”) ma cechy „prymitywne”.
Pierścienice i stawonogi:

segmentacja i brzuszna lokalizacja (podwójnego) sznura nerwowego (ventral nerve cord)
Kręgowce: Wszystkie mają ten sam plan układu nerwowego i ten sam plan rozwoju embrionalnego.
Rdzeń umiejscowiony jest grzbietowo od struny grzbietowej (notochord).

Początek – płytka nerwowa (wyosobniona grupa komórek w formie „łyŜeczki” w grzbietowej części ektodermy)
Cechy REGIONALIZACJI komórek płytki
„Neurulacja”

1)Pęcherzyki oczne, infundibulum, otic rhombomere
2)Zagłębianie się płytki nerwowej tworzy „fałdy nerwowe” (n.folds) i dalej cewę nerwową (n.tube) z
neuroporami (tworzy ją pojedyncza warstwa komórek tzw. „neuroepitelium”)

Fazy: „trzech pęcherzyków” i „pięciu pęcherzyków”

4) Proliferacja neuroepitelium i tworzenie tzw. strefy płaszcza (mantle layer) w której następuje róŜnicowanie się
neuronów i ich migracja oraz segregacja w warstwy i jądra.

W tyłomózgowiu i rdzeniu kręgowym pierwsze róŜnicują się MOTONEURONY.
(u płodu pojawiają się nieskoordynowane ruchy zanim wytworzą się łuki odruchowe)

•Tzw „układy farmakologiczne” (oparte o ten sam neurotransmiter i podległe działaniu tych samych leków) nie
pokrywają się z układami anatomicznymi

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

3/113

•Podobnie jest w przypadku układów charakteryzujących się ekspresją tych samych genów „gene expressinig
system”
•Jest błędem przypuszczenie a priori, Ŝe przetwarzanie informacji w SN podlega równieŜ hierarchiczności.

Rola astrocytów:

Regulacja zewnątrzkomórkowego stęŜenia K+
usuwanie neuroprzekaźnika ze szczeliny synaptycznej
„uszczelnianie” synaps
zaopatrzenie neuronów w glukozę
współtworzenie bariery krew-mózg
tworzenie membrana gliae limitans externa

Przepływ informacji w systemie nerwowym
cz. I: geneza potencjału błonowego i potencjału czynno

ciowego.

Przewodnictwo nerwowe.

Neurotoksyny biogenne

„Elektryka układu nerwowego”

RÓWNANIE NERNSTA

Równanie Nernsta (Walter Nernst 1888)

(równanie potencjału równowagi dla określonego jonu) t.j. równowagi między gradientem stęŜeń i
„gradientem” elektrycznym: na przykładzie potasu

(po prawej wersja uproszczona dla temp. 37 st. C

)

R= stała gazowa (8,315 J K-1 mol -1);
F = stała Faraday’a (96485 Culombów/mol)

T=temp.Kelvina; z = wartościowość jonu

Culomb = 6x1018 ładunków;
V = J/C (wolt = Joul / Coulomb)

Ponadto ln(x) = Log10(x) / Log10e = Log10(x) / 0,434;

L Avogadry = 6 x 1023 mol-1

K+ o = stęŜenie pozakom K+,
K+i = stęŜenie wewnkom. K+
Dla [K+ zew]/[K+ wew] = 4/155 = 0,026
Log10 0,026 = -1,58 a zatem 61,5 x (–1,58) = -97,7 mV
EK = -97,7mV (potencjał równowagi dla K)

Potencjał EK równowaŜy potencjał dyfuzji przy róŜnicy stęŜeń z przykładu poprzedniego (155 i 5 mmol/l)

Gdy uwzględnimy inne jony (Równanie Goldman-Hodgkin-Katz) wyjaśnia się dlaczego potencjał
spoczynkowy róŜni się od potencjału równowagi dla potasu (jak równieŜ od pozostałych jonów!)
RóŜne populacje komórek w CSN mają róŜne wartości potencjału spoczynkowego. Mogą wartości zaleŜeć
od pory dnia, np. neurony wzgórza są hyperspolaryzowane w nocy zmniejszając w ten sposób impulsację
dokorową.













]

[

]

[

303

V(wolt)

mol

∗

Równanie Goldman-Hodgkin-Katz:
Wyznacza potencjał spoczynkowy komórki uwzgledniając
najwaŜniejsze jony i ich relatywne (w stosunku do potasu)
przepuszczalności













Log

]

[

]

[













−

]

[

]

[

]

[

]

[

]

[

]

[

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

4/113

Względne przepuszczalności dla jonów

KKKK

::::

PPPP

::::

PPPP

pozostaja w nastepującej relacji:

PPPP

KKKK

::::

PPPP

::::

PPPP

= 1:0,02:

1:0,02:

1:0,02:0,45

0,45

Indeksy „o” oraz „i” przy nawiasach kwadratowych oznaczają odpowiednio, że

Indeksy „o” oraz „i” przy nawiasach kwadratowych oznaczają odpowiednio, że
stężenie danego jonu odnosi się do przestrzeni pozakomórkowej („O”

stężenie danego jonu odnosi się do przestrzeni pozakomórkowej („O”

stężenie danego jonu odnosi się do przestrzeni pozakomórkowej („O”---- outside) i

outside) i

wewnatrzkomórkowej (”i” inside)

POTAS

•70 kg

•28L wewnątrzkomórkowej

–140 mEq/L
•14L zewnątrzkomórkowej
–4,2mEq/L
–Około 98 proc. całkowitych zasobów wewnątrzustrojowych potasu znajduje się w przestrzeni
wewnątrzkomórkowej, a ok. 2 proc. w przestrzeni zewnątrzkomórkowej.
–Prawidłowe stęŜenie potasu w surowicy wynosi 3,5–5,0 mEq/l. Gdy stęŜenie potasu w surowicy krwi spada
poniŜej 3,5 mEq/l, rozpoznaje się hipokaliemię.
–Zasoby ustrojowe potasu wynoszą ok. 50 mEq/kg (czyli u osoby waŜącej 70 kg – ok. 3 500 mEq).

•Hodkin i Katz w 1949 r eksperymentem (na aksonie kałamarnicy) ze zmianą stęŜenia pozakomórkowego K ustalili, Ŝe
potencjał równowagi zachowuje się „prawie” zgodnie z równaniem Nernsta, a zatem doszli do wniosku, Ŝe błona
komórkowa jest znacznie bardziej przepuszczalna dla K niŜ dla innych jonów i Ŝe to właśnie potas najbardziej wpływa na
zachowanie potencjału błonowego

Pompy jonowe i białka transporterowe

„pompy jonowe”:

3Na

-2K

-ATPaza

(„elektrogeniczna”)

-Mg

-ATPaza

Wymieniacz

(głównie „kosztem” Na

a zatem pośrednio korzystające z energii gradientu

elektrochemicznego wynikającego z róŜnicy Na wytworzonej przez Na/K ATP-azę):

Wymieniacz 1Ca

- 1Na

Wymieniacz 1Cl

- 1Na

/HCO

Wymieniacz 1H

- 1Na

Wymieniacze Na

/transportery neurotransmiterów

•Wymieniacz 1Ca++- 1Na+

•Wymieniacz 1Cl- - 1Na+/HCO3-

•Wymieniacz 1H+- 1Na+

•Wymieniacze Na+/transportery neurotransmiterów

Kanały jonowe

•Kanał jonowy to rodzaj „poru” w błonie komórkowej, kontrolowanego przez otwierające się i
zamykające „bramki”
Ruch określonych jonów poprzez błonę komórkową jest formą prądu elektrycznego zaleŜnego od:

•„siły napędowej” będącej róŜnicą potencjału (spoczynkowego lub po prostu rzeczywistego aktualnego
potencjału np. wyznaczonego dowolnie w technice „voltage-clamp”) Em i potencjału równowagi dla
określonego jonu np. dla potasu Ek
•(np. dla prądu potasowego: Em – Ek) Jeśli Em = Ek prądu nie ma.
•Przewodnictwo błony dla określonego jonu (de facto jest to odwrotność oporu elektrycznego zgodnie z prawem
Ohma tj. i = V/R).
•Dla potasu prąd określi równanie:
•Ik= gk (Em – Ek)
•gdzie Ik – oznacza prąd jonowy potasu; gk – oznacza przewodnictwo dla potasu (g = 1 Siemen gdy 1 volt
powoduje przepływ 1 ampera)

•Przewodnictwo (conductance) przelicza się na powierzchnię błony w cm2

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

5/113

Technika „voltage-clamp”
•Techniki tej uŜywali w latach 50-tych Hodgkin i Huxley wyjaśniając dzięki niej mechanizm m.in. potencjału
czynnościowego jako zjawiska, które moŜna wytłumaczyć i opisać poprzez zmieniające się w czasie
właściwości przewodności błony komórkowej dla poszczególnych jonów

•Technika patch-clamp (Erwin Neher, Bert Sakmann 1976 Max Planck Inst. Goettingen) umoŜliwiła badanie
przepływów jonowych (prądów) dla indywidualnych kanałów.

•Ostatecznie udowodniła istnienie kanałów jonowoselektywnych a jednocześnie potwierdziła wcześniejsze
postulaty odnośnie istnienia takich kanałów proponowane przez Hodgkina i Huxley’a

•„Makroskopowy” prąd jest sumą mikroskopowych prądów pojedynczych (napięciowozaleŜnych) kanałów

•„Makroskopowe” prądy potasowe – dozewnątrz (outward) równieŜ są zsumowanymi prądami kanałów
potasowych

•Zarówno kanał potasowy jak i sodowy muszą posiadać „voltage sensor” – strukturę „wyczuwającą” napięcie

Eksperymenty z patch-clamp wykazały podobieństwa i róŜnice pomiędzy róŜnymi kanałami jonowymi

Podobieństwa

kanałów K i Na:

•jonoselektywność, zaleŜność prawdopodobieństwa otwarcia od napięcia, zamykanie kanałów Na i K przez
hyperpolaryzację
•oraz

róŜnice

•w kinetyce otwarcia (szybkość, czas otwarcia) w fakcie, Ŝe depolaryzacja w kanale Na prowadzi oprócz
otwarcia takŜe do jego inaktywacji ale nie w przypadku kanału potasowego
••Wykryto równieŜ takie napięciowozaleŜne kanały Na które nie są inaktywowane depolaryzacją i prowadzące
do długotrwających Pcz – (blokowane przez lidokainę, benzokainę)

Tetrodotoksyna (TTX) wytwarzana przez ryby typu puffer fish

blokuje napięciowozaleŜne kanały sodowe

tym samym blokując przewodnictwo nerwowe

Techniki patch-clamp otworzyły drogę do poznania bardzo wielu kanałów jonowych i ich własności

Typy kanałów jonowych:

1) napięciowo-zaleŜne
2) aktywowane ligandem
3) aktywowane fizyczną zmianą kształtu (rozciąganiem)
4) zaleŜne od temperatury
5) Są teŜ kanały zaleŜne od pH- „ acid sensing ion channels (ASICs)

Aktywowane ligandem kanały jonowe nie są zazwyczaj tak wysokoselektywne dla określonych jonów jak
kanały napięciowo-zaleŜne
Oprócz błony cytoplazmatycznej obecne są w błonach organelli wewnątrzkomórkowych

Kanały K aktywowane wapniem, kanały aktywowane cyklicznymi nukleotydami oraz ASICs mają

wewnątrzkomórkowe domeny

detekcji ligandu (Kanały aktywowane cykl. nukleotydami graja rolę m.in.

w węchu i recepcji światła)!

Liczne geny kodują róŜne kanały jonowe i tak:
Kanały jonowe napięciowo-zaleŜne selektywne dla: Na (10 genów), Ca (16 genów, szczeg. waŜne kanały
konieczne dla uwolnienia pęcherzyków synaptycznych), K (prawie 100 genów, prawdopodobnie
najwaŜniesza rola to generowanie potencjału spoczynkowego).

Równanie prądu jonowego obowiązuje dla pojedynczego kanału (np. potasowego)
is= gs (Em – Ek)

„przeciętny” kanał jonowy posiada przewodność średnią ok. 20 pS (pikosiemensów czyli 10-12S)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

6/113

Jeśli gradient napięcia wynosi 50mV a przewodność 20pS, to prąd przechodzący przez pojedynczy kanał

wynosi 10-12A (ampera) czyli ok. 6 mln jednowartościowych jonów/sek. (1A = ok. 6 x 1018 ładunków
elektrycznych / sek)

Kanały jonowe (na przykładzie kanałów potasowych)

1.Wszystkie kanały potasowe potrafią

rozróŜnić między K+ i Na+ (dwoma najbardziej rozpowszechnionymi metalami alkalicznymi w
przyrodzie). Miejsce w kanale (w przypadku kanału dla K+ kanał jest tetramerem), które ze względu na
największe przewęŜenie jest „bramkarzem” nazywane jest „filtrem selektywności”. Jest ono
najprawdopodobniej wspólne dla całej rodziny kanałów potasowych.
•Przez kanał potasowy przechodzą tylko

nieuwodnione

jony K+

Kanały potasowe są najbardziej zróŜnicowane

(np. czasem inaktywacji od milisekund do minut).

WyróŜnia się wiele szczególnych podtypów (podgrup kanałów potasowych) np:

„Voltage-Gated” Czyli Kanały NapięciowozaleŜne

„Inward Rectifiers” Czyli „Dośrodkowe Prostowniki”

Kanały potasowe z „opóźnionym” działaniem „delayed rectifier channels” (najwaŜniejsze w fazie

repolaryzacji potencjału czynnościowego)
-

Kanały potasowe wapniowo-zaleŜne

„Maxi K+” 200-300 pS, blokowane przez charybdotoksynę (ze skorpiona)

Kanały o pośrednim przewodnictwie (18-80 pS) aktywowane obrzękiem komórek

„Małe” kanały potasowe 10-14 pS, blokowane przez toksynę pszczół – apaminę

Kanały typu „A-current” blokowane przez 4-aminopirydynę

Kanały typu IsK z pojedynczą domeną transbłonową

Potasowe kanały tzw. „dośrodkowe/dokomórkowe-prostujące” (inward rectifying potasssium channels =
K-ir) to szczególna podgrupa kanałów potasowych.

Potasowe „dowewnątrz prostujące” (inwardly rectifying) kanały jonowe

Ich cechą jest osłabione przewodnictwo w warunkach depolaryzacji i podwyŜszone w warunkach
hyperpolaryzacji

To podgrupa kanałów potasowych, których wspólnym mianownikiem jest zdolność do

wytwarzania większego dokomórkowego napływu jonów (influx) niŜ wypływu (efflux). W tym typie
kanałów potasowych oprócz selektywności dla potasu (niezaleŜnej dla kierunku „do” i „od” komórki,
występuje blokowanie kierunku „od” czyli wypływu jonów potasowych w warunkach gdy potencjał
błonowy jest bardziej dodatni niŜ potencjał spoczynkowy (depolaryzacja).

UWAGA! Pomimo nazwy („inwardly rectifying”) w praktyce niemal zawsze przepuszczają jony potasowe
na zewnątrz (kierunek zaleŜy od wartości potencjału błonowego w relacji do potencjału równowagi dla
potasu czyli –80mV).

Blokowanie wypływu jonów jest skutkiem działania wewnątrzkomórkowego

magnezu (Mg2+) oraz polyamin (spermina, putrescyna, spermidyna). Poznano 7 podrodzin potasowych
kanałów prostujących, (K-ir) które róŜnią się m.in. Stopniem „prostowania”. K-ir grają istotną rolę w
kontroli i regulacji potencjału spoczynkowego oraz wartości potencjału progowego.

„Dośrodkowe prostujące kanały potasowe” pozwalają na dłuŜsze odpowiedzi depolaryzacyjne np. w sercu (gdzie
potencjał czynnościowy trwa 100-600msec), oraz grają rolę w tzw „fertilization potential” w komórkach

jajowych (który trwa minuty). Zapobiegają utracie K+ w czasie przedłuŜonej depolaryzacji i mogą pozwalać

na re-entry K+ T-tubul w mięśniach.

Przykłady chorób spowodowanych nieprawidłowością działania kanałów jonowych („channelopathies”)
1.Mukowiscydoza:

zmutowany kanał chlorkowy

(epithelium chloride channel Cystic Fibrosis

Transmembrane Conductance Regulator – CFTR)

2.Zesp. Bartter’a : Alkaloza, hipokaliemia, hyperaldosteronizm, hyperreninemia, bez nadciśnienia (brak
odpowiedzi na aldosteron), zab. wzrastania, słabość mięśniowa, zaparcia, wielomocz.:

mutacja

napięciowozaleŜnego kanału chlorkowego.

3.Myotonia congenita: Inna mutacja tego samego kanału

(napięciowozaleŜnego kanału chlorkowego)

4.Cholera: biegunka spowodowana działaniem toksyny bakteryjnej, która pobudza cAMP w nabłonku
jelita i w następstwie

pobudza kanał CFTR

i w rezultacie wywołuje sekrecję chloru do światła jelita. (w

mukowiscydozie toksyna nie działa!).
5.Rodzinna hypoglikemia z hyperinsulinizmem;

mutacja ATP-zaleŜnego kanału potasowego

w komórkach

beta trzustki, która powoduje ,Ŝe kanał stymuluje wydzielanie insuliny
6.Zesp. Liddle’a: wrodzone nadciśnienie:

nadaktywność kanału sodowego w nabłonkach

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

7/113

7.Zesp. Lamberta-Eatona (miasteniczny):

przeciwciała przeciw kanałom Ca

Przykłady schorzeń mózgu nzwiązanych z nieprawidłowymi kanałami jonowymi („KANAŁOPATII”

mózgowych)

Nie ma jednoznacznego wytłumaczenia dlaczego określona mutacja kanału jonowego powoduje dane
objawy

Istnieją róŜne typy mutacji w danym kanale jonowym róŜniące się takŜe fenotypowo (objawami).

Zaburzenia napięciowo-zaleŜnych kanałów wapniowych (Ca):
1.Familial hemiplegic migraine (FHM) = (rodzinna migrena z hemiplegią)
2.Episodic ataxia type 2 (EA2)
3.X-linked congenital stationary night blindness (CSNB)
2.
Defekt kanałów sodowych (Na):
1.Generalized epilepsy with febrile seizures (GEPS)

Defekt kanałów potasowych (K)
1.Benign familial neonatal convulsions (BFNC) – objawy drgawek zanikają po okresie noworodkowym

Potas moŜe zabijać…

„Mikstura” do wykonywania wyroku śmierci w niektórych stanach USA (tzw. lethal injection – za
źródłem internetowym): thiopental sodium 6 g, pancuronium bromide 150 mg,  potassium chloride 360
mEq
•KCl podawany iv ponad 20 miliekwiwalentów/h jest toksyczny. (nie powinno się przekraczać 80
mEq/dobę a ponadto maksymalnie 40mEq/godz) Podawanie uśmiercające jest szybkie a jego skutkiem
jest zaburzenie czynności elektrycznej serca (indukcja cardiac arrest). •Przy załoŜeniu, Ŝe objętość
przestrzeni pozakomórkowej wynosi 14 litrów
w (bardzo bardzo) duŜym uproszczeniu moŜna spróbować obliczyć potencjał równowagi dla potasu po
podaniu 360 mEq (tzn dawki podawanej w „lethal injection”) 360/14 litrów (prz.-pozakom.)= 25,7 mEq/L .
W rzeczywistości lokalnie wokół naczyń, zanim dojdzie do pełnego wyrównania będzie znacznie wyŜsze
stęŜenie, (w samej krwi wyniosłoby ok. 72mEq/1).
Stąd zgodnie z równaniem Nernsta  potencjał równowagi dla K zewnątrzkomórkowego = 25,7 mEq/L i
wewnątrzkomórkowego = 140 mEq wyniesie Vrównowagi = -45,3 mV a potencjał spoczynkowy wg równania
Goldmana-HK -48,8mV (Ampułka 20 ml 15% KCl zawiera 2mEq/ml czyli w 20 ml 40 mEq K+ )

Potencjał czynnościowy (Pcz):

•Zmiana stęŜenia pozakomórkowego sodu prowadzi do wyraźnej zmiany amplitudy Pcz ale „prawie” nie ma
wpływu na potencjał spoczynkowy

•Wniosek Hodgkina i Katza : w czasie Pcz następuje gwałtowny wzrost przepuszczalności dla sodu
•Pcz w róŜnych neuronach ma róŜny kształt („waveform”) ale wnioski z eksperymentów na kałamarnicy
zasadniczo obowiązują wszędzie

•RóŜne kształty Pcz są związane z dodatkowymi prądami (kanałami) jonowymi (Ca-, Kir)

(omówienie Pcz znajduje się w skrypcie Prof.Konturka dlatego tu nie rozwijam tego zagadnienia)

„Kablowe” właściwości neuronów i ich wypustek

Błona komórkowa jako kondensator q = CV

q –ładunek ; C – pojemność (mF/cm2); V – napięcie (mV)

Obliczmy: ile ładunków elektrycznych musi być zgromadzone na/przy błonie o powierzchni 1 mm2 ( jeśli

C = 1 mF/cm2 a V = 100mV

Ilość ładunków/ 1 mm2 = 1 mF/cm2 x 0,1V

(cm2= 10000x10000 mm2 = 108 mm2 )

= 1/108 mF/mm2 x 0,1V
= 1/109 mFV /mm2 (FV= Culomb bo q=CV)

= 1/109 mCulomb /mm2 = 1/1015 Culomb /mm2 (1Culomb=6,24 x 1018 ładunków el.)
= (6,24 x 1018)/ 1015 ładunków /mm2 = 6,24 x 103 /mm2 =

6240 /mm2

Elektrotonus, potencjały elektrotoniczne

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

8/113

Potencjały podprogowe (nie wywołujące potencjału czynnościowego) rozprzestrzeniają się biernie
(elektrotonicznie) i ulegają osłabieniu wraz z odległością od miejsca ich powstania (np. w błonie
postsynaptycznej) i wraz z upływem czasu.

Własności elektrotoniczne neuronów nazywane są teŜ „właściwościami kablowymi”
Ich poznanie pozwala na zrozumienie przede wszystkim funkcjonowania dendrytów (aksony przewodzą
potencjały czynnościowe, nie ulegające dekrementowi). SłuŜy temu formułowanie tzw. obwodów
ekwiwalentnych, która to czynność wymaga przyjęcia (niestety) wielu upraszczających załoŜeń np..
1 - wyodrębniony segment wypustki jest walcowaty (ta sama średnica)
2 – potencjał elektrotoniczny pojawia się w postaci czymkolwiek spowodowanej zmiany „potencjału
spoczynkowego” (o ile w ogóle coś takiego istnieje) a jego wartość w „punkcie zero” wynosi V =
Vzmieniony -  Espocz (takŜe Espocz bywa pomijane).
3 – Prąd elektrotoniczny jest zgodny z prawem Ohma:  E (potencjał) = IR
4 – Opór (R) ma składową „osiową” (inaczej „wewnętrzną”) oraz oporność błonową
5 - Pomijana jest właściwość „kondensatorowa” błon komórkowych

„Kablowe” właściwości  neuronu
Równanie kablowe opisuje relację (zmian) napięcia wzdłuŜ (modelowej) wypustki neuronu w stosunku do
odległości i czasu, a jego rozwiązanie:

Vx = V0 e

–x/l V

t = V0 e

–t/t

oznacza tzw. „stałą długości” (length constant,

space constant, characteristic length) i jest to odległość od punktu „0”, w której napięcie zmniejszy się do
37% wartości pierwotnej (w punkcie „0”).

Zatem jeśli x= l to Vx=0,37V0 a więc w odległości l napięcie wyniesie 0,37 napięcia początkowego

Stała długości w relacji do cech neurytu:

a – promień neurytu (0,02 mm - 25 mm) 1000x!Rm =oporność charakterystyczna błony (103 – 105
Wcm2)Rw =oporność wewnętrzna (50 – 200 Wcm)
„Długość elektrotoniczna”

„kabla” o długości

(np. w milimetrach) wynosi

L= x/ l

(dla wielu neuronów 0,3 –1,5)

•Vt = V0 e

–t/t

•t - „stała czasu” t= RmCm
•gdzie Cm to pojemność charakterystyczna błony która jest dość stała (0,75 m Fcm-2) a Rm oporność
charakterystyczna błony (103 – 105 Wcm2) (F-farad = 1Culomb/1Volt)

•Szybkość przewodzenia elektrotonicznego theta

θθθθ

= 2 (l/ t

))))

Aksony zmielinizowane tej samej średnicy przewodzą impulsy 100x szybciej niŜ niezmielinizowane (ale
przy średnicy poniŜej 1 [mm] niezmielinizowane są „szybsze”).

Empirycznie stwierdzono, Ŝe szybkość propagacji potencjału czynnościowego w aksonie zmielinizowanym
w metrach/sek. jest równa ich średnicy w mikronach (mikrometrach) pomnoŜonej przez 6.

Vimpulsu [w m/s] = śr. włókna [w mm] x 6

(tzw. czynnik Hursh’a)

Najgrubsze aksony u ssaków o śr. 20 [mm] przewodzą 120 m/s
Cienkie, o śr. 1 [mm] przewodzą 5 – 10 m/s.

ZróŜnicowanie długości i grubości aksonów i szybkości przewodnictwa Pcz

•Ok 1 mm w inhibitory interneurons do 1 metra lub więcej

•Średnica najgrubszego axonu (squid giant axon) bliska 1 mm a w niezmielinizowanych aksonach korowych
ssaków (od 0.08 do 0.4 µm)
•Axonalne opóźnienie zaleŜy zasadniczo od prędkości Pcz (między 0.1 m/s w niezmielinizowanych axonach i
100 m/s w duŜych zmielinizowanych) – znaczenie dla funkcji integracyjnych (np.. W lokalizacji źródła

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

9/113

dźwięku – zob. wykład na temat słuchu), zaleŜy teŜ od zgrubień aksonalnych – „varicosities” i podziałów
(spowalniają) oraz od powtarzanej stymulacji (równieŜ spowalnia) i wpływu określonych kanałów jonowych
•Zjawisko (objaw?) „conduction failure” w aksonie – czyli zatrzymanie propagacji Pcz. występuje w punktach
rozgałęzień aksonu oraz w zgrubieniach i w „wejściu” do somy neuronu oraz na skutek powtarzanych stymulacji
(akumulacja K pozaaksonalnie i stąd depolaryzacja). MoŜe być spowodowane blokowaniem Na/K ATP-azy
przez OUABAINĘ (depolaryzacja) oraz przez hyperpolaryzację.

MoŜliwość „cofki” (pojęcie wzięte z hydrogeologii) Pcz oraz interakcje „efatyczne”

•U bezkręgowców stwierdzono „cofanie” się Pcz („odbicie” - reflection) który wcześniej ulegał prawie
wygaśnięciu w miejscach rozgałęzień aksonu. U ssaków stwierdzono to zjawisko w dendrytach.

•„Cofka” Pcz powstająca w rozgałęzieniach jest tłumaczona występującym tam opóźnieniem przewodnictwa
które „przeczekuje” okres refrakcji.
•Pcz w aksonie powoduje zmianę wraŜliwości (ekscytatyczności) aksonu sąsiedniego (zwykle początkowo
obniŜenie potem podwyŜszenie). Prowadzić to moŜe do synchronizacji przebiegów Pcz w pęczku aksonów. Są
to tzw. wpływy (interakcje) efatyczne.

W komórkach Purkinjego włókna pnące powodują silne EPSPs (pobudzające potencjały postsynaptyczne)
w całym drzewie dendrytycznym (po 100 000 kolców), których rezultatem jest prawdopodobnie
synchroniczne wyładowanie w postaci „wapniowych potencjałów czynnościowych” przenoszących się do
wzgórka aksonalnego i powodujących modulację „normalnych” (Na+/K+) aksonalnych Pcz.

Natomiast w dendrytach obserwuje się

wapniowe potencjały czynnościowe

wywołane impulsacje włókien

pnących. Te potencjały modyfikują „sodowo-potasowe” potencjały czynnościowe wzgórka aksonalnego.

Rola dendrytów

•PIERWSZA ZASADA: NEURON (JEŚLI MA) MA TYLKO JEDEN AKSON (ALE DLACZEGO ???)

•ZASADA (KOLEJNA): CZĘSTOTLIWOŚCIOWEGO KODOWANIA WYSYŁANEJ INFORMACJI
–INTEGRACJA NASTĘPUJĄCA W DENDRYTACH WPŁYWA NA „OUTPUT”
•Ale badania ostatnich lat udowodniły, Ŝe nawet neurony z aksonem mogą uŜywać dendrytów jako środka
„komunikacji wychodzącej” (OUTPUT). Jest to udowodnione zwłaszcza u bezkręgowców (np. detekcja
ruchu u much mięsnych blowfly)
NAWET ODLEGŁE DENDRYTY MOGĄ ZNACZNIE EFEKTYWNIEJ WPŁYWAĆ NA „AXONAL
OUTPUT”

•Dendryty stanowią zasadniczy i najwaŜniejszy obszar przetwarzania informacji w neuronie

•Obecnie wiemy, Ŝe miejsce inicjacji potencjału czynnościowego moŜe się zmieniać w kierunku nawet
dystalnych dendrytów.

•Najnowsze badania wskazują, Ŝe kolce dendrytyczne pełnią funkcje „microintegrative units” (operacje
logiczne AND, OR AND-NOT i operacje „liczenia”), mogą teŜ pełnić funkcje sekwestratorów jonów
wapniowych (toksycznych dla komórki). Dlatego neuron moŜe być porównany do „mikrochipa” w którym
znajdują się dziesiątki tysięcy logicznych i kalkulacyjnych układów.

•Kolce dendrytyczne zapewne maja teŜ udział w mechanizmach pamięci

Dendryty nie są tylko rozległą siecią receptorową !

W świecie bezkręgowców ogromna część neuronów nie ma aksonów!
U kręgowców są praktycznie tylko dwa typy takich bezaksonowych komórek:

komórki amakrynowe siatkówki

węchowe komórki ziarniste

Najwięcej informacji o neurotransmisji i innych procesach związanych z przetwarzaniem informacji
uzyskano z badań nad neuronami z długimi aksonami.

•Badania Stuarta i Sackmanna (1994) wykazały m.in., Ŝe potencjał czynnościowy moŜe propagować
wstecznie do drzewa dendrytycznego. „Wsteczny” Pcz moŜe mieć na celu m.in.. „resetowanie” potencjału
błonowego.

Prawdopodobnie wzmaga on teŜ reaktywność synaps. Co więcej, stwierdzono, Ŝe

wsteczny Pcz

powoduje w korze mózgowej oddziaływanie GABAergicznych dendrytów interneuronów na zakończenia
aksonalne komórek piramidalnych

a z kolei glutamatergiczne dendryty komórek piramidalnych oddziałują na

zakończenia aksonalne interneuronów. Te połączenia i związki mogą mieć znaczenie w patogenezie drgawek!

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

10/113

Przepływ informacji w systemie nerwowym

cz. II:

Neurotransmisja cz. A – neurotransmitery

Thomas Elliot (XIX/XX) zaobserwował skurcz nieunerwionych mięśni gładkich pod wpływem epinefryny.

Otto Loewi – dowody na chemiczną neurotransmisję i na rolę w niej acetylocholiny (Ach) na podstawie
eksperymentów z sercem Ŝaby
•Otto Lewi 1926 eksperyment na sercu Ŝaby : odkrycie „vagus substance” (którą później okazała się
acetylocholina)

Rodzaje sygnalizacji międzykomórkowej
(nie tylko synaptyczne i nie tylko między neuronami i ich komórkami „docelowymi”)
Humoralna

Parakrynna
Autokrynna
Efatyczna (poprzez przestrzeń-pozakomórkową)
Synaptyczna: elektryczna (m-komórkowe prądy jonowe bezpośrednio poprzez gap junction)
Synaptyczna: chemiczna

Neurotransmiter („klasyczne” kryteria)

1.Substancja musi być syntetyzowana (obecna) w neuronie

2.Musi być obecna w zakończeniach synaptycznych i uwalniana po stymulacji (depolaryzacji) a następnie
musi wywoływać reakcję komórki efektorowej (musi być izolowana i identyfikowalna chemiczne lub
farmakologicznie)
3.Neurotransmiter musi wywoływać te same zmiany w komórce postsynaptycznej jak stymulacja neuronu
presynaptycznego
4.Powinien istnieć swoisty receptor w komórce postsynaptycznej, co oznacza w praktyce, Ŝe podając
substancję egzogennie moŜna wywołać podobny efekt jak stymulując synapsę, ponadto powinno być
moŜliwe dawkozaleŜne blokowanie przez kompetytywnego antagonistę. RównieŜ blokowanie syntezy
neurotransmitera powinno blokować efekty stymulacji presynaptycznej
5.Powinien być mechanizm aktywnego usuwania uwolnionego neurotransmitera (enzymatyczny
rozkład/transport)
6.Uwalnianie neurotransmitera niemal zawsze (niektórzy formułują Ca-zaleŜne uwalnianie jako

jednoznacznie konieczne kryterium) łączy się z napływem Ca++ do zakończenia (musi być wapń w
przestrzeni pozakomórkowej)

Składowe procesu neurotransmisji

1.Synteza neurotransmitera

2.Magazynowanie n-t w zakończniach presynaptycznych

(„klasyczne” n-t gromadzą się w mniejszych

pęcherzykach -50nm, peptydowe w większych –100 z gęstym rdzeniem). PoniewaŜ w większości synteza n-
t jest w cytozolu istnieje aktywny mechanizm „ładowania” pęcherzyków („vesicular transporter protein”)

3.Uwalnianie n-t do szczeliny synaptycznej

zwykle z udziałem wapnia, moŜe być „konstytutywne” (bez

stymulacji np. czynniki wzrostu) lub stymulowane

4.Wiązanie i rozpoznawanie n-t przez receptor komórki docelowej

(receptory jonotropowe i

metabotropowe), receptory mogą być na tym samym neuronie (tzw. autoreceptory – mech.regulacyjne)

5.Aktywne zakończenie działania n-t (dla klasycznych n-t)

enzymatyczna degradacja i/lub wychwyt - jest

teŜ „pasywne” zakończenie działania n-t, poprzez dyfuzję)

Neurotransmitery drobnomolekularne:

„jasne pęcherzyki” 40-60 nm, ( katecholaminy mają pęcherzyki dense-core)

synteza w strefie synaps,

enzymy syntetyzujące transportowane poprzez slow axonal transport (0.5 – 5 mm/doba)

Neurotransmitery peptydowe (neuropeptydy):

„Ciemnordzeniowe” pęcherzyki 90-250 nm

synteza w ciele neuronu (ew. modyfikacja prekursorów w strefie synaps)

transport do synaps poprzez „fast axonal transport” (400mm/doba)

(kinezyna – motoryczne białko zuŜywające ATP)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

12/113

Inaktywacja katecholamin:

Enzymatyczna:

(kiedyś sądzono, Ŝe najwaŜniejsza, obecnie uwaŜa się Ŝe gra rolę gł tylko

we krwi)

MAO (monoaminooksydaza) na zewn. Bł. mitochondrialnej

COMT (catechol-O-metylotransferaza)

Wychwyt n-t przez neurony

(najwaŜniejszy sposób inaktywacji katecholamin w mózgu

!!!). Sklonowano 2 transportery, oba spokrewnione z transporterami 5-HT i EAAT). Są one róŜne od
transporterów pęcherzykowych i nie są zaleŜne od Mg2+ i nie są hamowane prze rezerpinę. Pomimo
nazw, Ŝaden z nich nie jest specyficzny dla DA czy NE.

DAT =

Transporter dopaminy

(jest raczej

poza

synaptyczny !! Stąd być moŜe katecholaminy działaja nie tylko synaptycznie ale i „parakrynnie”;

faktycznie b.duŜe ilości dyfundują poza synapsy)

NE-T

Transporter norepinefryny

(trójcykliczne antydepresanty np.

doxepina, imipramina

blokują ten transporter)
Psychostymulujący efekt

kokainy i amfetaminy

polega na blokowaniu wychwytu katecholamin (oraz w

przypadku kokainy takŜe 5-HT) przez blokowanie transporterów (kokaina szczeg. blokuje DAT).
Amfetamina bardziej niŜ blokująco, działa poprzez odwracanie działania transportera !

Histamina

•Oprócz katecholamin równieŜ naleŜy do grupy „amin biogennych”

•Główny rejon: nucleus tuberomammillaris hypothalami
•Promuje aktywność mózgu („arousal”), wspomaga uwagę

–Leki antyhistaminowe uŜywane m.in. jako antyuczuleniowe powodują senność i są np. przeciwwskazane przy
prowadzeniu pojazdów!

•Histamina m.in. odgrywa rolę w kontroli układu przedsionkowego
•Przypuszczalnie histamina moŜe teŜ regulować przepływ mózgowy krwi
•Nie zidentyfikowano transportera histaminy
•Rozkład: metylotransferaza histaminy i MAO
•Wszystkie znane receptory histaminy naleŜą do metabotropowych (sprzęŜonych z białkiem
G)

Serotonina (5-HT)

•Wraz z histaminą i katecholaminami naleŜy do „amin biogennych”

•Główny ośrodek serotoninergiczny: n.raphe
•Bierze udział w regulacji snu i czuwania
•Aktywacja receptorów serotoniny powoduje m.in. uczucie sytości
Mózg zawiera jedynie 1% zasobów(5-HT)

Szczególną uwagę zwrócono na 5-HT z powodu jej podobieństwa do LSD i w związku z teoriami, Ŝe 5-HT
gra rolę w schizofrenii i depresji.

Hydroksylaza tryptofanu limituje produkcję 5-HT.

Tryptofan dostaje się do mózgu a zwiększenie podaŜy tryptofanu zwiększa syntezę 5-HT

5-HT nie przechodzi do mózgu ale przechodzi 5-HydroxyTryptofan (5-HTP)

Rezerpina

zmniejsza równieŜ 5-HT w pęcherzykach synapt.

Jest 15 róŜnych receptorów 5-HT !
W szyszynce 5-HT jest wyjściowym substratem dla produkcji

melatoniny

SER-T : Transporter serotoniny odpowiedzialny za jej inaktywację poprzez wychwyt jest transporterem o
wysokim powinowactwie (jest teŜ spokrewniony z DA-T i NE-T).

Selektywnym inhibitorem SER-T jest lek antydepresyjny
fluoxetyna (Prozac). Pośrednio wskazuje to takŜe na rolę serotoniny w procesach psychicznych

Aminy biogenne w chorobach psychicznych

•Pomimo relatywnie niewielkiej ilości neuronów aminergicznych w obrębie CSN ich rola w regulacji stanów
psychicznych jest bardzo duŜa

•Rezerpina blokująca wychwyt noradrenaliny i obniŜenie ciśnienia krwi a jednocześnie powodująca stany
depresyjne zwróciła uwagę na rolę amin biogennych w mechanizmach zjawisk psychicznych (np. nastrój). Była
teŜ pierwszym lekiem antypsychotycznym

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

13/113

•Obecnie wiemy, Ŝe aktywacja układu dopaminergicznego odgrywa rolę w psychozach i większość leków
antypsychotycznych chloropromazyna, haloperidol, benzperidol) w ten lub inny sposób hamuje układ
dopaminergiczny (np. blokując receptory dopaminergiczne).
•Aminy odgrywają teŜ rolę w mechanizmach stanów lękowych – inhibitory MAO były wykorzystywane jako
leki przeciwlękowe
•Stany depresyjne : leki przeciwko depresji takie jak inhibitory MAO (fenelezyna), trójcykliczne antydepresanty
(desipramina – blokująca wychwyt noradrenaliny), blokery wychwytu serotoniny (Prozac), trazodon – wszystkie
ingerują w przewodnictwo aminergiczne
•Amfetamina – stymulująca uwalnianie noradrenaliny z zakończeń nerwowych powoduje stany (tzw. „high”),
które moŜna uznać za „odwrotność” depresyjnego działania rezerpiny!

GABA (

γγγγ

-amino butyric acid, kwas

γγγγ

-aminomasłowy)

główny hamujący N-T mózgu (odkryty w 1950)

GABA jest częścią metabolizmu glukozy (w przeciwieństwie do katecholamin)

GAD

= glutamic acid decarboxylase jest enzymem krytycznym dla tworzenia GABA i jest tylko w

neuronach GABA-ergicznych (ma dwie izoformy o róŜnych własnościach)

Zastanawia przeciwieństwo Glu i GABA przy tym samym szlaku metabolicznym i związku z cyklem
Krebsa

GABA-T = transaminaza GABA-ketoglutaranu tworzy z a-ketoglutaranu kw.glutaminowy, który w
neuronie jest dekarboksylowany przez dekarboksylazę kw.glutaminowego (

GAD

) do GABA.

GAD jest wyłącznie w neuronach GABA-ergicznych

GAD wymaga kofaktora w postaci fosforanu pirydoksalu (pochodnego vit B

). Niedobór vit B

prowadzi do niedoboru GABA (drgawki u dzieci niekiedy śmiertelne)
Ten sam enzym GABA-T (obecny w mitochondriach ale teŜ w synaptosomach) inaktywuje GABA !!!
(do succinic semialdehyde = semialdehyd bursztynylowy)
UWAGA!
Z pobudzającego N-T (kw.glutaminowy) powstaje hamujący (GABA).!

Glicyna

•Hamujący NT obecny głównie w rdzeniu

•Powstaje z seryny (mitochondrialna hydroksymetylotransferaza)
•Ładowana do pęcherzyków przez ten sam transporter co transporter dla GABA
•Receptory (wyłącznie) jonotropowe – kanały dla Cl (blokowanie przez alkaloid strychninę)
•Usuwana z przestrzeni pozakomórkowej przez transportery glicynowe (ich mutacja prowadzi do

hyperglicynemii

– choroby wrodzonej i śmiertelnej z sennością, opóźnieniem rozwoju umysłowego, drgawkami)

Glutaminian i asparaginian
Glutaminian i asparaginian – metabolity i neurotransmitery (Ŝaden z nich nie przekracza
bariery krew-mózg!)
Glutaminian to najwaŜniejszy pobudzający NT
Powstaje na drodze róŜnych przemian chemicznych ale głównie z alfa-ketoglutaranu (z cyklu
Krebsa) oraz z glutaminy.
Po uwolnieniu z błony presynaptycznej jest wychwytywany przez astrocyty za pomocą
specjalnych białek transporterowych. W astrocytach ulega przemianie do glutaminy i która
powraca do neuronu gdzie przekształcana jest ponownie w glutaminian. Nadmierne
uwalnianie glutaminianu lub niefektywny wychwyt prowadzą do tzw. ekscytotoksycznego
uszkodzenia tkanki mózgu i odgrywa rolę w wielu chorobach OUN (zob. Dodatek).
Glutaminian działa poprzez receptory jonotropowe i metabotropowe (zob. dalej)

Acetylocholina (pierwszy poznany n-t)

Acetylocholina –: synteza najprostsza ze wszystkich n-t (1 etap)

ChAT – acetylotransferaza choliny -

marker neuronów cholinerg.

Ac-CoA pochodzi z pirogronianu i poprzez pirogronian wiąŜe syntezę Ach z metabolizmem glukozy,
Jego transport z mitochondriów limituje syntezę Ach ?
Albo cholina ? (próby leczenia ch. Alzheimera lecytyną – prekursorem choliny)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

14/113

Acetylocholine esterase (działa pozakomórkowo i sama moŜe być neurotransmiterem ?
Transporter choliny nie jest elementem inaktywacji ACh

Receptory cholinergiczne

Receptory nikotynowe (jonotropowe); 40 typów; w złączu N-M
Receptory muskarynowe (metabotropowe), gruczoły. M-oka

Inaktywacja Ach poprzez enzym acetylocholinoesteraza (AChE) hydrolizująca Ach.

Substancje blokujące Ach-esterazę prowadzą do akumulacji Ach i depolaryzacyjnej
inaktywacji mięśni są to:

sarin („nerve gas”)

zw. fosforoorganiczne (insektycydy np. parathion),

Kompetycyjne blokery słuŜą do zwiotczenia w anestezji (sukcynylocholina - prototypowy
zwiotczający lek depolaryzujący) i jako leki w miastenii

Cholinergiczne neurony „czuwania”

•Cholinergiczne neurony aktywującego układu siatkowatego na

pograniczu mostu i śródmózgowia odgrywają kluczową rolę w regulacji aktywności mózgu (czuwanie kontra
sen)

•Inne nurotransmitery (odpowiednie neurony) równieŜ biorące udział w kontroli aktywności „sen-czuwanie” to
serotonina (n.raphe) oraz noradrenalina (l.coeruleus) i histamina (n. tuberomamillaris hypothalami) a takŜe
neuropeptyd orexyna (obszar podwzgórza około jądra n. tuberomammillaris)

zob. dodatek II „sen i czuwanie”
Puryny: ATP, AMP, adenozyna

•ATP jest obecne niemal we wszystkich pęcherzykach synaptycznych („co-

transmiter”?)

•Pozakomórkowe podawanie puryn moŜe wywołać odpowiedzi elektryczne neuronów (lata 20-ste!)
•ATP działa pobudzająco w motoneuronach rdzenia w zwojach autonomicznych i czuciowych, w hipokampie
•Puryny odgrywają rolę w przewodzeniu bólu i mechanorecepcji jednak w większości ich funkcja jest nieznana
•Kofeina i teofilina blokują receptory purynergiczne (ale dlaczego działają pobudzająco?)
•Receptory purynergiczne (jono i metabotropowe) są w całym mózgu.
•Adenozyna nie jest obecna w pęcherzykach a zatem jest „nieklasyczna”
•Usuwanie puryn: enzymy (apiraza, ecto-5-nukleotydaza, białka transporterowe nukleozydów)

Neuropeptydy

N-T peptydowe n-t

podobnie jak klasyczne są identyczne pomiędzy gatunkami,

magazynowane są w pęcherzykach i uwalniane w sposób zaleŜny od Ca

jednak inna jest biosynteza i

inaktywacja.
Peptydy syntetyzowane są w ciele komórki początkowo jako prohormon (potem aktywowany peptydazą) i
transportowane w pęcherzykach na obwód. Pęcherzyki są większe i z tzw. dense core.
Hipoteza Henry Dale’a 1neuron=1n-t
Obecnie wiadomo, Ŝe neuron moŜe dysponować 2 lub więcej neurotransmiterami

•Peptydy aktywują receptory w niskich stęŜeniach (mili i mikromolowych)

•Szczególnie istotona rola w jelicie i pozazwojowych neuronach sympatycznych
•Neuropeptyd Y odgrywa rolę w regulacji zachowań pokarmowych (sytość, otyłość).

•Neuropeptydy

powstają jako tzw. pre-propeptydy, następnie przetwarzane do propeptydów (proteoliza) i ładowane do
pęcherzyków gdzie zachodzą ostateczne przemiany (powstają definitywne formy neuropeptydu oraz ich
modyfikacje – np. fosforylacja, glikozylacja)

•Zwykle w pęcherzyku są róŜne pochodne peptydy (i uwalniane są razem)
•Katabolizm neuropeptydów: peptydazy
•WaŜniejsze poznane role neuropeptydów:
•Substancja P oraz opioidy grają rolę w percepcji bólu
•Melanocyte Stimulating Hormone, ACTH, beta-endorfina – reakcje na stress
Peptydowe N-T nie mają specyficznego wychwytu i są inaktywowane przez dyfuzję i enzymatyczny
rozkład (który nie jest swoisty dla określonego peptydu ale np. dla dipeptydu). Produkty „dezaktywacji”
mogą teŜ być aktywne.

Substancja P

•Substancja P:

działanie hipotensyjne

; 11-aminokwasów (odkryta 60 lat temu jako „

owder

extract” mózgu i jelita)

•tzw. brain/gut peptide (hipokamp, neocortex, jelito, aferentne włókna C z dróg czucia bólu i temperatury)
•W rdzeniu antagonistycznie do substancji P działają opioidy
•Szereg innych neuropeptydów jest kodowanych przez ten sam gen co gen substancji P (neurokinina A,
neuropeptyd K i neuropeptyd gamma)

Opioidy

•Opioidy – peptydy działające na te same receptory, na które działa opium (morfina)

•Dzielą się na 3 grupy (pochodzące z 3 osobnych odpowiednio genów): endorfiny, enkefaliny, dynorfiny

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

15/113

•UwaŜa się, Ŝe ich wydzielanie jest podstawą efektu znieczulającego akupunktury
•Opioidy grają rolę w zachowaniach seksualnych oraz agresyjno-submisywnych, być moŜe takŜe w schizofrenii i
autyzmie

neurotensyna

Prohormon - 170 aminokwasów;

Dense-core vesicles

Uwalnianie Ca2+ zaleŜne;

Inaktywacja przez metaloendopeptydazy
NT moŜe być internalizowana po związaniu z receptorem metabotropowym.
MoŜe być wstecznie transportowana (np. do śródmózgowia)

NT kolokalizuje zwł z dopaminą.

NT jest teŜ w jelicie cienkim

Orexyny A i B

Neuropeptydy biorące udział w regulacji aktywności ukłądu nerwowego, snu-czuwania
oraz przyjmowania pokarmu i prawdopodobnie emocji

Orexyna-A (33 aminokwasy) jest identyczna u ludzi, myszy, szczurów, krowy, świni,

orexyna-B (28 aminokw.) ludzi róŜni się 2 aminokw. od gryzoni
Znane są dwa receptory oreksyn:
OX

R (orphan G-protein coupled receptor) – 10x bardziej swoisty (affinity) dla Orexyny A niŜ dla Or-B

R – nieselektywny dla obu oreksyn

Neurony orexyno-dodatnie

z LHA (=Lateral hypothalamic area – „centrum odŜywienia”) i obszarów

okołosklepieniowych mają b.liczne połączenia z korą, opuszką węchową, hipokampem, c.migdałowatymi,
przegrodą, diagonal band of Broca, bed nucleus of stria terminalis, wzgórzem, resztą podwzgórza,
śródmózgowiem, pniem, rdzeniem kręgowym.
Immunoreaktywność dla oreksyn stwierdzono teŜ w układzie nerwowym jelita i trzustce a mRNA równieŜ
w jądrach (!?). Receptory z grubsza powielają dystrybucję neuropeptydu

Rola oreksyn

Utrzymywanie stanu czuwania (wakefulness)

Orexin-Knock-out myszy zachowują się jak narkoleptycy
Badania u ludzi równieŜ wskazują na rolę orexyn w narkolepsji (u narkoleptyków nie ma orexyn w CSF)
Dokomorowe wstrzyknięce oreksyn wywołuje stan podwyŜszonej aktywności lokomotorycznej, róŜnych
czynności np. czyszczenia się (grooming) i spoŜywania jedzenia.
Obecność receptorów oreksyn w substancji czarnej moŜe sugerować, Ŝe oreksyny modulują
dopaminergiczne działanie w procesach związanych z aktywnością, emocjami. (Antagoniści dopaminy
dawkozaleŜnie blokują indukowane oreksyną zachowanie nadruchliwe i czyszczące)
Stymulacja jedzenia przez oreksyny jest słabsza od NPY ale o dłuŜszym działaniu.
Oreksyny powodują wzrost zuŜycia tlenu, spadek poziomu prolaktyny i GH oraz wzrost kortykosteronu w
osoczu.
Wpływają na układ autonomiczny m.in. Powodując wzrost ciśnienia krwi i częstości akcji serca.
Oreksynowe neurony są aktywowane przez hypoglikemię

Neuroregulacja odŜywienia

1)Lateral

hypothalamic area (LHA) – centrum odŜywienia (feeding center)

1)Uszkodzenie LHA prowadzi do hypofagii, wzrostu metabolizmu i obniŜenia stopnia czuwania (arousal)
2)Antagonistyczne układy stymulacji i supresji apetytu (orexigenic vs. Anorectic) orexis = gr. apetyt
3)Układ orexygenny: neuropeptyd Y (NPY), melanin concentrating hormone (MCH – produkowany w
LHA),
1)MCH dawkozaleŜnie podwyŜsza spoŜywanie pokarmu, genetyczne uszkodzenie MCH prowadzi do
hypofagii

2)orexyny A i B

(wytwarzane w LHA).

4)Układ anorexygenny: alfa-melanocyte stimulating hormone (a-MSH), leptyny,

Endokanabinoidy (EK)

•UwaŜane są za nieklasyczne neurotransmitery bo nie są magazynowane w

pęcherzykach a często biorą udział w sygnalizacji „wstecznej” (uwalniane są z komórki postsynaptycznej i
następnie dyfundują do komórek)

•Znane są 2 substancje (endokanabinoidy):

anandamid

oraz

2-arachidonylglicerol (2-AG

), które reagują z

receptorem egzogennego aktywnego składnika marihuany – delta

-tetrahydrokanabinolem

•Substancje te o charakterze tłuszczów powstają z lipidów błon komórkowych
•Endokanabinoidy (EK) są wychwytywane przez aktywny transport i hydrolizowane (hydrolaza kwasów
tłuszczowych - FAAH)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

16/113

•Głównym receptorem EK jest receptor CB1 – jest to receptor typu metabotropowego (GPCR)
spokrewniony z metabotropowymi receptorami Ach.
•Receptory dla EK są szczególnie liczne m.in. w substantia nigra oraz skorupie (caudate putamen).
•EK synetyzowane i uwalniane pod wpływem Ca

hamują wstecznie wydzielanie neurotransmiterów (np.

GABA) w synapsach
•Wsteczne hamowanie uwalniania GABA przez EK

Inne neurotransmitery niekonwencjonalne:

NO i CO (i Hydrogen sulfide?)

N-T = jakakolwiek substancja, która zapewnia przepływ

informacji z neuronu do neuronu (miesza się z pojęciem hormonu bo brak „celu” i czasowych
właściwości neurotransmisji, a co z rolą gleju?).

Azotany, nitrogliceryna znane od dziesiątków lat jako

rozszerzające naczynia. Dopiero w latach 80tych zidentyfikowano NO (endothelial-derived relaxing
factor,

NO jest stymulowany takŜe przez Glu w mózgu prowadząc do wazodilatacji!).

NO: Lista wątpliwości jest długa:

NO nie jest magazynowany, nie ma receptora, nie ma mechanizmu

inaktywacji,

NO stymulując cyklazę guanylową powoduje wzrost cGMP

(podobnie jak Glu, który w ciągu sekund 3x

wzmaga aktywność NOS poprzez ciąg: NMDA:Ca2+:wiązanie kalmoduliny:aktywacja nNOS

(neuronalna nNOS w 1% neuronów);

„Klasyczna” droga NO:

Ach w endotelium stymuluje szlak IP

prowadząc do wzrostu Ca2+.

Ca2+ aktywuje NOS. NO dyfunduje z endotelium do mięśniówki gładkiej naczynia gdzie

aktywuje cyklazę

guanylową i produkcję cGMP

. cGMP aktywuje GMP-zaleŜne kinazy proteineowe co prowadzi do

rozluźnienia mięśnia.

NO trwa tylko kilka sekund w płynach ustrojowych
inaktywowany przez nadtlenki i tworzenie kompleksów z hemem Np. w oksyhemoglobinie

Rola NOS i cyklazy guanylowej

NO :

relaksacja mi

ęś

niówki gładkiej w obwodowych

naczyniach, oraz mi

ęś

niówki w jelicie, zabijanie obcych komórek w makrofagach.

Konstytutywna NOS w neuronach i w endoteliach
Indukowana NOS (szczególnie w makrofagach stymulowana przez cytokiny) iNOS jest
zwi

zana z kalmodulin

i działa w warunkach niepodwy

szonego poziomu Ca2+

nNOS jest silnie aktywna w komórkach ziarnistych mó

ku i dlatego NO aktywuj

cyklaz

guanylow

w kk.Purkinjego i powoduj

c wzrost cGMP indukuje Long-Term Depression.

NO jest głównym stymulatorem cGMP
NO mo

e równie

działa

niezale

nie od cGMP (np. uwalnianie N-T)

Nitrogliceryna i nitroprusydek sodu s

dawcami NO i wzmagaj

c cGMP rozlu

niaj

ęś

niówk

naczy

prowadz

c do obni

enia ci

nienia krwi.

2 typy cyklazy guanylowej: cytozolowa i błonowa
(błonowa cyklaza guanylowa jest receptorem dla neuropeptydów takich jak atrial natriuretic
peptide i brain natriuretic peptide)

•

: powstaje przy degradacji hemu (oxygenaza hemu-2 w myenteric plexus) i razem z NO

bierze udział np. w neurotransmisji w jelicie (zwiększają relaksację, a u knock-outowych myszy
relaksacja jest skrócona ).

Czynniki wzrostu jako niekonwencjonalne N-T

Mogą wpływać na neurony presynaptyczne,

kontrolują rozwój, róŜnicowanie i utrzymywanie neuronów. Ich ekspresja jest stymulowana lub
hamowana przez aktywność i inne N-T

(np. Glu i Ach podwyŜsza ekspresję BDNF i NGF a

GABA obniŜa.)

BDNF (brain derived neurotrophic factor) – moŜe być magazynowany w pęcherzykach

NGF (nerve growth factor)

Neurotrofina-3 (NT-3)

Ich uwalnianie jest:

1)konstytutywne
2)stymulowane depolaryzacją (aktywnością neuronu). Jest to uwalnianie niezaleŜne od
zewnątrzkomórkowego Ca2+ (jak w klasycznych N-T) ale od zapasów wewnątrzkomórkowego
Ca2+.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

17/113

NEUROTRASNSMISJA cz B
SYNAPSY – CZĘŚĆ PRESYNAPTYCZNA

Synapsa chemiczna pozwala wielokrotnie wzmacniać sygnał

oraz umoŜliwia wieloczynnikową regulację

transmisji i w związku z tym procesy adaptacyjne i inne np. powodujące krótko i długotrwałe zmiany
przewodnictwa („PLASTYCZNOŚĆ SYNAPTYCZNA”).
Potencjał czynnościowy uwalnia N-T który łącząc się z receptorem powoduje w zaleŜności od typu kanału
jonowego pobudzający („excitatory postsynaptic potential” EPSP) lub hamujący („inhibitory” IPSP)
postsynaptyczny potencjał (depolaryzacja przesuwa potencjał błonowy w kierunku progu potencjału
czynnościowego lub odwrotnie - hyperpolaryzacja).
Z pojedynczego pęcherzyka („magazynu”) uwalnia się ok. 5000 molekuł  N-T powodując powstanie tzw.
MINI-EPSP lub MINI-IPSP (tzw. „minis”, które moŜna rejestrować poprzez mikroelektrodę)

Gradient protonowy (dzięki ATPazowej pompie protonowej) jest dostarczycielem energii do transportu
N-T do wewnątrz pęcherzyków (realizowanemu przez transportery N-T).

Są znane 4 typy transporterów przenoszących N-T do pęcherzyków:

dla Ach,
dla [katecholamin/serotoniny],
dla glutaminianu,
dla [GABA/glicyny].

Mają one pokrewieństwo z bakteryjnymi transporterami odpowiedzialnymi za odporność przeciw lekom.
Są róŜne od transporterów błonowych wychwytujących N-T z przestrzeni pozakomórkowej.

Uwalnianie neurotransmitera

Opóźnienie („synaptic delay”) między PCz i uwolnieniem N-T wynosi mniej niŜ 0,2 msek. (a w złączu n-
mięśń. do depolaryzacji postsynaptycznej upływa ok.. 0,5msek).

To raczej wyklucza jakiekolwiek systemy aktywacji enzymów oraz udziału np. hydrolizy ATP
(wykluczono to teŜ przez usunięcie-chelatowanie Mg2+, którego  brak uniemoŜliwia skorzystanie z a ATP
przez jakikolwiek enzym).
UwaŜa się natomiast, Ŝe  istnieją  „gotowe do fuzji” kompleksy pęcherzyków-błony synaptycznej, dla
których Ca jest jedynie „trigerem” -wyzwalaczem nagłych zmian konformacyjnych prowadzących do
otwarcia pęcherzyka. (tworzenie tych kompleksów nazywa się „dokowaniem” i odbezpieczniem (priming).

Energia potrzebna do fuzji nie moŜe pochodzić z ATP. (ale w ogóle jest potrzebna)

Prawdopodobnie istnieje wspólny mechanizm dla wszelkich procesów fuzji błon (np..
Endosomy+lizsomy, ER-Golgi.)

Potencjał czynnościowy powoduje otwarcie kanałów wapniowych
Napięciowo-zaleŜne kanały wapniowe są bardzo selektywne.
Na kaŜdą strefę aktywną przypada 100 kanałów wapniowych (w złączu nerwowo-mięśniowym jest ok.
1000 stref aktywnych - active zones),

Na kaŜdy zakotwiczony pęcherzyk przypada 10 kanałów wapniowych w odległości do 50nm;
StęŜenie Ca2+ zdolne do aktywowania egzocytozy pęcherzyków gwałtownie spada nieco dalej od kanałów
wapniowych (buforowanie Ca przez cytozol)
UwaŜa się, Ŝe rolę sensora  Ca2+ prowadzącego do uwolnienia N-T z pęcherzyka gra

synaptotagmina

Co się dzieje gdy potencjał czynnościowy dociera do złącza nerwowo-mięśniowego?

Potencjał czynnościowy (PCz) powoduje otwarcie kanałów wapniowych (Ca2+ wewnątrzkomórkowe jest
zaledwie rzędu 100nM, po otwarciu kanałów skacze do 100mM lub więcej tuŜ przy kanale).

Dwuwartościowe kationy takie jak Co2+ lub Mn2+ blokują transmisję.

Zespół miasteniczny Lamberta-Eatona

: (głównie paraneoplastyczny) jest spowodowany przeciwciałami

przeciwko presynaptycznym napięciowo-zaleŜnym kanałom wapniowym

Białka pęcherzyków synaptycznych

Skład i budowa pęcherzyków zostały dość dobrze poznane

Nie zaleŜą od rodzaju transmitera

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

18/113

Białka lepiej poznane i/lub waŜniejsze z nich to:
1.ATP-azowy transporter protonów .- Zakwasza światło pęcherzyków (gradient umoŜliwiający ładowanie
N-T)
2.Transportery pęcherzykowe dla poszczególnych N-T (umoŜliwiają

wypuszczenie

protonów „w zamian”

za N-T)
3.Synaptic vesicle protein (SV2): funkcja nieznana

4.Synaptofizyna

: funkcja nieznana (ale wykorzystywana w diagn. histopatologicznej)

5.Synaptotagmin:

łączy się z błonowymi białkami kompleksu SNARE (syntaxin) i prawdopodobnie

pełni rolę

„sensora” Ca2+

(a calmodulina moŜe pełnić rolę modulacyjną).6.Rab-3 (GTP-binding

protein): łączy się z błonowym białkiem rabphilin i innymi białkami jak RIM1 (składnik aktywnej strefy),

7.Synapsin: prawdopodobnie łączy pęcherzyk z aktyną cytoszkieletu; fosforylacja synapsyny umoŜliwia
ich uwolnienie

SNARE complex = (SNAP- REceptor complex)
kompleks 3 białek: (1)Vesicle-associated membrane protein (VAMP=synaptobrevin) (2) syntaxin (3)
synaptosomal associated protein (SNAP-25 kDa).

Synapsy bez SNARE nie uwalniają N-T.

„SNAREs” oznacza całą klasę „membrane-trafficking” protein.
Blokujące uwalnianie N-T toksyny Gr+ pałeczek beztlenowców Clostridium: botulinowe i tęŜcowa są
enzymami proteolitycznymi tnącymi komponenty SNARE
N-Ethylmaleimide sensitive factor (NSF) jest ATP-azą, która prawdopodobnie dostarcza energii
koniecznej do odnawiania pęcherzyków.
„Kiss and run” raczej gra mniejszą rolę niŜ endocytoza w „recyklingu” pęcherzyków.
Białko

dynamina

„odcina” opłaszczony

klatryną (clathrin)

pęcherzyk od błony komórkowej

(mutanty shibire drozofili w odpowiedniej temperaturze są gwałtownie zparaliŜowane na skutek
wraŜliwości zmutowanej dynaminy)

„Biologia kwantowa” neurotransmiterów

„Quantal size” = jednostkowa odpowiedź na uwolnienie 1 kwantu N-T (w postaci amplitudy sygnału
elektrycznego w komórce postynaptycznej)

„Quantal content” = średnia ilość kwantów uwalnianych przez pojedynczy impuls
Złącze nerwowo-mięśniowe:

Pojedynczy potencjał czynnościowy motoneuronu uwalnia nawet 300 „kwantów” N-T
KaŜdy receptor posiada przewodnictwo o wartości 25 pS i otwiera się na 1,5 ms. (przepuszczając 35 000
jonów dodatnich).
Otwarcie pojedynczego pęcherzyka (ok. 5000 molekuł n-t, związując ok. 2000 receptorów) powoduje
napływ ok. 70 mln jonów (2000 x 35000) w receptorowych kanałach dając pojedynczy „MINI”

= kilka mV

Synapsa glutamatergiczna:

1 potencjał czynnościowy uwalnia 5-10 kwantów N-T, kaŜdy z nich aktywuje ok. 30 kanałów a 1 quantum
powoduje EPSP=1mV (zdecydowanie za mało do wywołania potencjału czynnościowego)

„Kwantowe” zagadnienia związane z neurotransmisją:
„Model standardowy” Katz’a (ok.1950) pasuje głównie do zł.ner-mies:

Model standardowy Katz’a („kwantowego przekaźnictwa”)

1)Potencjał czynnościciowy podnosi prawdopodobieństwo egzocytozy N-T i uwolnienia „kwantu” N-T

2)Kwant N-T daje w przybliŜeniu ten sam efekt elektryczny w kom.postsynaptycznej („quantal size” = Q )
3)Kwanty N-T mogą sumować się liniowo dając wielokrotność „quantal size”)
4)Średnia ilość uwolnionych kwantów „m” („quantal content”) N-T m jest określona równaniem:  m = n p
gdzie
n=ilość dostępnych kwantów;
p=prawdopodobieństwo uwolnienia kwantu
5)Przeciętna odpowiedź na bodziec jest iloczynem (Q m)      (= Qnp)
6)Względne prawdopodobieństwo obserwacji 0,1,2,...,n kwantów jest dane rozkładem dwumianowym z
parametrami n oraz p
7)„Quantal size” = jednostkowa odpowiedź na uwolnienie 1 kwantu N-T (w postaci amplitudy sygnału
elektrycznego w komórce postynaptycznej)
„Quantal content” = średnia ilość kwantów uwalnianych przez pojedynczy impuls

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

19/113

„Model standardowy” Katz’a jest wykorzystywany w badaniach nad neuromodulacją i wpływem
potencjalnych leczniczych substancji (wskazuje na miejsce uchwytu („target”) potencjalnego
neuromodulatora (potencjalnego leku)

Wpływ na częstość i amplitudę mini-EPP:

np.

bloker receptora postsynaptycznego albo substancja wpływająca na „ładowanie”

pęcherzyków

nie zmieni częstości „mini-EPP” ale zmieni ich amplitudę oraz amplitudę stymulowanych EPPs.

Natomiast bloker lub modulator kanałów wapniowych

zmieni prawdopodobieństwo uwolnienia N-T z pęcherzyka (a w związku z tym tzw. „quantal content”
m=pn (p=prawdopodobieństwo uwolnienia, n=liczba dostępnych kwantów), czyli przeciętną ilość
uwolnionych pęcherzyków przez pojedynczy potencjał czynnościowy.

W obrębie CNS model standardowy często nie pasuje bo m.in.

Pęcherzyki mogą zawierać róŜne ilości N-T
Prawdopodobnie nie zawsze opróŜniana jest cała zawartość pęcherzyka
Jest bardzo trudna rejestracja EPP i wyznaczenie wartości „miniEPP”
Synapsy konwergują na neuronach
Istnieją róŜne izoformy kanałów Ca2+ a dodatkowo fosforylacja zmienia ich właściwości. Być moŜe w
niektórych przypadkach uwolnienie pęcherzyka hamuje uwolnienie innych pęcherzyków.
Nie tyle ilość dostępnych pęcherzyków ale

ilość receptorów decyduje o EPP

(np. dla Glu o EPP decyduje ilość i cechy receptorów. Istnieją teŜ „ciche synapsy”)

Transmisja synaptyczna:
zmiany przepuszczalności błony postsynaptycznej w czasie aktywności
synapsy (neurotransmisji)

Technika „patch-clamp”

Erwin Neher i Bert Sakman, którzy rozwin

li j

w latach 70-tych otrzymali Nagrod

Nobla w

1991 r
Pozwala na zmierzenie pr

du płyn

cego przez pojedynczy kanał jonowy

A) Eksperyment typu „outside-out” – pipeta zawiera roztwór o składzie podobnym do
cytoplazmy. Na zewn

trz błony z kanałem roztwór jest podobny do zewn

trzkomórkowego.

Pozakomórkowy płyn stanowi „uziemienie” układu elektrycznego w którym wzmacniacz
utrzymuje stałe napi

cie przezbłonowe. Rejestrowane jest nat

ęŜ

enie pr

du przechodz

cego

przez kanał.

Mierzone jest nat

ęŜ

enie pr

du.

Natomiast wolta

jest stabilizowany na dowolnie wybranej warto

B) Przepływ pr

du płyn

cego przez pojedynczy kanał jonowy po podaniu „od zewn

trz”

acetylocholiny (Ach)

w sposób ci

gły

d NIE PŁYNIE STALE LECZ W POSTACI „IMPULSÓW”.

Ilustruje to odpowied

receptora w postaci „wszystko-albo-nic”.

Zwi

kszenie st

ęŜ

enia Ach nie powoduje zmiany nat

ęŜ

enia pr

du lecz wzrost

PRAWDOPODOBIE

STWA otwarcia kanału!

d przepływaj

cy przez 1 kanał jest rz

du 10-12 amperów (pA)

Efekt postsynaptyczny jest wynikiem sumowania potencjałów z wielu kanałów jonowych.

Czas otwarcia jest ró

ny ale „amplituda” (nat

ęŜ

enie pr

du) zawsze ta sama.

Technika patch-clamp:

rezultaty eksperymentów z podawaniem N-T przy zmienianych i

ró

nych warto

ciach (-40mV, -20mV, 0mV, +20mV) stabilizowanego napi

cia w

mikroelektrodzie (w relacji do na zewn

trz błony komórkowej ze „złapanym” kanałem

receptorowo-zale

nym

WNIOSKI: Po zwi

zaniu z NT cz

stotliwo

ść

redni czas otwarcia kanału s

niezale

ne od

napi

cia jednak kierunek i amplituda pr

du zale

y od napi

cia. Kierunek pr

du „d

ąŜ

y” do

osi

gni

cia równowagi zgodnie z równaniem Goldmana-Hodgkina-Katza.

Badania prądów w złączu nerwowo-mięśniowym:
•EPP – end plate potential; EPC – end plate current•
EPC jest proporcjonalny do ilości otwartych kanałów

•W normalnym mięśniu dośrodkowy (inward) EPC depolaryzuje błonę
•Powstająca zmiana potencjału błonowego nazywana jest EPP (potencjałem płytki końcowej)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

20/113

Badano prądy postsynaptyczne (end-plate currents - EPC) w zaleŜności od postsynaptycznego napięcia
błonowego.

•Badania te (wraz z manipulacją stęŜeń jonów) pomogły ustalić przepływ jakich jonów tworzy te prądy
(małŜeństwo Akira i Noriko Takeuchi 1960)
•Kierunek i wielkość prądu EPC zaleŜą od zastosowanego (voltage-clamped) postsynaptycznego napięcia
błonowego

•Przy -110 mV prąd (ładunki +) jest dośrodkowy, przy napięciu 0 mV prąd jest zerowy (EPC=0) a powyŜej 0mV
prąd zaczyna się odwracać na dozewnątrz (outward)
•Potencjał 0mV nazywamy dlatego „reverse potential” (potencjał odwrócenia)
EPC jest proporcjonalny do róŜnicy między danym napięciem (oznaczanym jako Vm) i potencjałem odwrócenia
(Erev)
•Ponadto EPC jest proporcjonalny do przewodnictwa (conductance = odwrotność oporu) błony aktywowanej
acetylocholiną (oznacznaej jako gACh)
•Stąd EPC = gACh (Vm – Erev)
•Potencjał odwrócenia „leŜy” pomiędzy potencjałam równowagi dla jonów ECl, ENa
•ObniŜenie zewnątrzkomórkowego Na  powoduje przesunięcie „reversal potential” w stronę wartości ujemnych
•PodwyŜszenie zewnątrzkomórkowego stęŜenia jonów K  powoduje przesunięcie „reversal potential” w stronę
wartości dodatnich

•Dla typowego potencjału spoczynkowego mieśnia (-90 mV) w EPC dominuje prąd dośrodkowy jonów Na
(dlatego efekt netto prądów obu jonów Na i K jest teŜ dośrodkowy)

•Prądy dla potencjału powyŜej „potencjału odwrócenia” hyperpolaryzują komórkę postsynaptyczną a dla
potencjału poniŜej „potencjału odwrócenia” depolaryzują komórkę.

•W przypadku komórki mięśniowej praktycznie kaŜdy EPP wywołuje Pcz

•W przypadku komórek nerwowych rezultat zaleŜy od „sumacji” potencjałów postsynaptycznych (PSP) w tym
pobudzających i hamujących
•Glutaminian zwykle równieŜ powoduje otwarcie kanałów przepuszczalnych zarówno dla Na jak i K dlatego
ogólny opis zaleŜności jest podobny jak w złączu nerwowo-mięśniowym
•RóŜnica między EPSP i IPSP

•EPSP (pobudzający) charakteryzuje się tym, Ŝe jego potencjał odwrócenia (Erev) jest bardziej dodatni niŜ próg
pobudliwości (threshold) komórki
•IPSP (hamujący) charakteryzuje się tym, Ŝe jego potencjał odwrócenia jest bardziej ujemny niŜ potencjał
progowy.
•WaŜna uwaga: EPSP jest depolaryzujący ale IPSP moŜe być hyperpolaryzujący ale nie musi (w pewnych
warunkach moŜe być hyperpolaryzujący! Wystarczy aby jego Erev był poniŜej progu pobudzenia czyli
powstania potencjału czynnościowego)

Oprócz szybkich EPSP zaobserwowano,

e istniej

tak

e wolne EPSP.

Szybkie EPSP wywołane s

otwarciem kanału jonowego bramkowanego ligandem

(neurotransmiterem).
Wolne EPSP opieraja si

na znacznie bardziej skomplikowanym mechanizmie receptorowymi

(receptory te nazwano metabotropowymi).

Czasowe i przestrzenne sumowanie PSP

W przykładzie obok, sumowanie PSP w neuronie ruchowym umoŜliwia wygenerowanie p.cz. pomimo, Ŝe
pojedynczy p.cz. w kaŜdym z presynaptycznych neuronów czuciowych wywołuje EPSP równy 1 mV, a do
osiągnięcia progu pobudzenia potrzeba przynajmniej ok. 20 mV lub więcej.

W sumowaniu czasowym

nie ma dokładnego „sumowania” poniewaŜ nawet jeśli przewodnictwo pozostaje

takie samo w kolejnych otwarciach kanału, jednak zgodnie z prawem Ohma natęŜenie prądu jonowego
jest oprócz przewodniości kanału (g) proporcjonalne do róŜnicy potencjału błonowego is= gs (Em – Ek) (a
ta nieco zmniejsza się na skutek wypływu jonów w czasie trwania kolejnego otwarcia kanału)
W sumowaniu czasowym istotna rolę gra znana nam „stała przestrzenna” l(space constant = length

constant)

Vx = V0 e –x/

Sumowanie czasowe

pozwala na integracj

kolejnych potencjałów postsynaptycznych w danej

synapsie natomiast

sumowanie przestrzenne

pozwala na integracj

postsynaptycznych potencjałów z ró

nych

okolic neuronu

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

21/113

NEUROTRANSMISJA cz. C
Receptory neurotransmiterów

Receptory dzielą się na:

JONOTROPOWE

(tworzące i po związaniu z ligandem otwierające kanały jonowe, duŜych rozmiarów,

zbudowane z podjednostek).

Ich pobudzenie wywołuje szybko potencjał postsynaptyczny (PSP), który jest jednak

krótkotrwały („fast-PSP”- typowo ok. 20ms)

METABOTROPOWE

(działające poprzez aktywację GTP-wiąŜących białek – tzw. G-protein; stąd

zwane G-protein coupled receptors GPCRs; są utworzone przez pojedynczy polipeptyd). Ich pobudzenie
wywołuje długo trwający (slow-PSP)

NEUROTRANSMISJA jest częścią szerszego pojęcia – „sygnalizacji międzykomórkowej”

W ramach

sygnalizacji międzykomórkowej

recepcja sygnału odbywa się za pośrednictwem:

RECEPTORÓW JONOTROPOWYCH

(tworzących „szybką komunikację” (w milisekundach) w

ramach układu nerwowego oraz pomiędzy układem nerwowym i innymi narządami).

RECEPTORÓW METABOTROPOWYCH – (=GPCRs)

(najliczniejszych, działających znacznie dłuŜej –

nawet do wielu godzin, i w znacznej mierze spełniających funkcje regulacyjne)

RECEPTOROWYCH KINAZ TYROZYNOWYCH

(Stanowiących receptory dla czynników wzrostu,

czynników troficznych regulujących długotrwałe zmiany decydujące o wzroście, róŜnicowaniu i „losie”
komórek)

Receptory jonotropowe

Badania genetyczno-molekularne oraz strukturalne oparte o prX umoŜliwiły dokładne poznanie budowy i
funkcji poszczególnych fragmentów podjednostek

Dwie rodziny pochodzące z 2 róŜnych genetycznych „przodków”
1- receptory: nikotynowy Ach -dla kationów

(pozostałe iR są wariantami budowy nACh),

GABAA (g-amino butyric acid), -dla anionów

glicynowy, -dla anionów 5-HT3 (jedna z

podklas receptora dla 5-HT), -dla kationów
2- (jonotropowe) receptory glutamatergiczne

Nikotynowy receptor Ach (nACh)
(model struktury jonotropowych receptorów)

Receptor nikotynowy ACh (nACh) jest receptorem
1.w złączu nerwowo-mięśniowym
2.W synapsach pomiędzy przedzwojowymi i pozazwojowymi neuronami obu części układu
autonomicznego (parasympatycznego i sympatycznego)
3.W mózgu
Blokerem kanału jonowego w nACh jest hexametonium, antagonistą miejsca łączącego a ACh jest
trimetafan
Poznany najlepiej m. in. z powodu dostępności (electric organ Torpedo ray, wyspecjalizowany mięsień
generujący napięcie nawet do 500V)

αα

-bungarotoksyna z wysoką swoistością wiąŜe się z nACh co pozwala na superczyste ekstrakty receptora

w chromatografii
Nikotyna jest wzorcowym agonistą nACh
Kanał receptorowy jest umiarkowanie selektywny: przepuszczalny dla Na+, K+, i nieco słabiej dla Ca2+,
które przechodzą zgodnie z gradientem elektrochemicznym.
KaŜdy receptor ma dwa miejsca wiąŜące Ach
Otwarcie kanału następuje na skutek zmian konformacyjnych białek receptora po przyłączeniu Ach
Desensytyzacja jest w nACh mięśniowym wolna, znacznie wolniejsza niŜ w mózgu (stała 50-100ms)

Miastenia gravis

: jedna z najlepiej poznanych chorób autoimmunologicznych jest spowodowana

autoagresją przeciw receptorom Ach w mięśniach

Neuronalny nAChR
Neuronalny nAChR zbudowany jest jedynie z podjednostek

αα

ββββ

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

22/113

Zidentyfikowano wiele wariantów budowy podjednostki a (9) oraz b (4) (niektóre specyficzne dla
niektórych zwierząt). MoŜliwa jest kombinacja nawet tysięcy róŜnych „wersji” receptora z róŜnymi
właściwościami !
Np.

Przewodnością

(moŜe być od 5 do 50 pS.)

Przepuszczalnością dla Ca2+

(zwykle większą niŜ dla rec. mięśniowych)

Czasem desensytyzacji

Neuronalny nAChR prawdopodobnie jest odpowiedzialny za psychofizyczne efekty uzaleŜnienia od
nikotyny.

Receptor serotoninowy – (podklasa 5-HT3)

jest receptorem jonotropowym (większość receptorów 5-HT jest metabotropowa)

Receptor 5-HT3 występuje w obwodowych zakończeniach nerwów czuciowych i w CNS

Receptor serotoninowy 5-HT3 jest przepuszczalny dla K+ i Na+ (nieprzepuszczalny dla Ca2+ i innych
dwuwartościowych jonów, pomimo podobnej szerokości otworu jak w nACh)
Ma budowę podobną do nACh ale składa się z 5 kopii tej samej podjednostki (zbliŜonej do podtypu a7 z
nACh)

Antagoniści receptora 5-HT3 są uŜywani jako

leki przeciwwymiotne (ONDASETRON, GRANISETRON – blokują 5-HT3 receptory m.in. W dnie
kom.IV i obwodowo w zak.nerwu X),
antypsychotyczne i anksjolityki.

Receptory GABAA- główne receptory hamujące w CSN

GABAA to najczęściej występujący hamujący receptor GABA
Tworzą go podjednostki (pentamer tak jak r nACh) nazwane dgba e oraz r (głównie w
siatkówce); dla kaŜdej z nich znane są róŜne podtypy.
W podjednostce a znajduje się miejsce wiąŜące ligand
Kanał jonowy receptora GABAA jest

selektywny dla Cl-,

co powoduje hyperpolaryzację po

otwarciu kanału (stąd hamowanie i IPSP)

GABAC jest głównie w siatkówce (podobnie jak GABAA jest związany z kanałem jonowym
dla Cl-.)

(GABAB jest metabotropowy !)

Receptory GABAA- to główne receptory hamujące w CSN

Receptor GABAA moŜe być modulowany przez wiązanie róŜnych substancji np.

barbituranów (luminal) i benzodiazepin (diazepam).

Obie grupy leków potęgują wiązanie

GABA (i podwyŜszają hamowanie).

Odwrotnie działają substancje powodujące drgawki picrotoxin (blokuje kanał) i
bicucullin, która zmniejsza wiązanie GABA.
TakŜe

penicylina

hamuje receptor blokując otwór dla jonów

(UWAGA! drgawki naleŜą do

działań niepoŜądanych penicyliny!).

RównieŜ progesteron, kortykosteron, testosteron potęgują działanie receptora
Receptory siatkówkowe GABA nie są wraŜliwe na bicuculinę (choć są wraŜliwe na
pikrotoksynę), nie są wraŜliwe na barbiturany i benzodiazepiny

Jonotropowe receptory glutamatergiczne – iGluR najliczniejsze receptory
pobudzające w CSN

Składają się z 4 podjednostek (tetramery). Podjednostki są znacznie większe od podjednostek AChR
W latach 70-tych zaobserwowano (Watkins i wsp.), Ŝe egzogenny związek NMDA

kwas N-metylo-D-

asparaginowy

swoiście stymuluje (agonista) część iGluR. W latach 80 i 90tych ujawniono i

scharakteryzowano budowę oraz właściwości poszczególnych podgrup iGluR.
Ich nazwy wywodzą się od nazw specyficznych agonistów iGluR, którzy róŜnicują te receptory na szereg
podgrup o odmiennych właściwościach. Są to zatem receptory typu:

NMDA (

kwas N-metylo-D-asparaginowy)

„non-NMDA”

takie jak:

AMPA

kwas

-Amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izoksazolopropionowy

Kainianowy

Glutamatergiczny receptor typu NMDA

Otwarcie kanału 2-10ms, EPSC >>100ms, 50pS

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

23/113

Wybitne przewodnictwo dla jon

w Ca

; najwi

ksza g

sto

ść

sektorze CA1 hipokampa;

fizjologiczn

rol

plastyczno

ci i

uczeniu si

patologiczn

ekscytotoksyczno

najliczniejszy. NR2(A-D) same nie tworz

kanałów,

Wymaga depolaryzacji aby uwolni

blokady magnezowej! –Cecha ta powoduje,

e receptor NMDA jest „detektorem

jednoczesno

ci” zdarze

(„bramka logiczna „AND”).

Antagoni

ci: MK-801

AP5

Receptory NMDA bardzo istotne w rozwoju mózgu, uczeniu, pamięci oraz w patologii

NMDA jest selektywnym agonistą jednak jest co najmniej 10x słabszy niŜ L-glutaminian
Mają budowę podobną jak receptory non-NMDA, ( podjednostki NR1, NR2A, NR2B, NR2C, NR2D,
NR3A, NR3B) z TM2 nieprzechodzącym przez błonę i który odpowiedzialny jest za przepuszczalność dla
Ca2+
Ich cechy charakterystyczne:
1)Napięciowo zaleŜne blokowanie przez Mg2+ (błona musi być zdepolaryzowana aby uwolnić się od
blokowania przez Mg2+!)
2)Glicyna związana z tzw. „miejscem glicynowym” konieczna dla efektywnego otwarcia kanału
3)Przewodzą Ca2+

(potencjalnie patologiczne znaczenie prowadzące do tzw. ekscytotoksyczności)

Zagadkowa modulacja przez sperminę wzmagającą aktywację NMDA

Glutamatergiczny receptor typu AMPA

(podjednostki: GluR1, GluR2, GluR3,

GluR4)

B.szybkie

otwarcie kanału <1ms, krótki pr

d EPSC ok. 10ms. Szybkie przeka

nictwo

synaptyczne, m.in czucie b

lu, zwiazane z

kana

ami dla Na

, K

(z GluR2 słaba

przepuszczalno

ść

dla Ca

) antagon

ci: NBQX

, CNQX

RóŜnorodność właściwości iGluR (non-NMDA) nie pochodzi tylko z róŜnych „kombinacji”
podjednosteknp. Istnieją „splice variants” nazywane flip i flop (flop wykazuje silniejszą desensytyzację a
stąd mniejsze prądy jonowe)

Szybkie i wolne potencjały postsynaptyczne (PSP)

A)Szybkie PSP (Poprzez kanały jonowe)

B)Wolne PSP (metabotropowe) działaj

przez po

redników (np. cAMP) Potencjał powstaje

wolniej (wymaga syntezy cAMP) ale trwa wielokrotnie dłu

ej (Nawet gdy fosfodiesteraza cAMP

zako

czy działanie wtórnego przeka

nika to ufosforylowany kanał potasowy dalej przepuszcza

jony. Trwa to a

fosfataza proteinowa zdefosforyluje kanał)

Jeszcze dłu

sze działanie mo

e by

wtedy, gdy aktywowane s

geny i modulowany metabolizm

Receptor glicynowy – główny receptor hamujący w

rdzeniu kręgowym

i pniu mózgu

Przepuszczalny dla Cl-

Pentamer zbudowany z podjednostek a oraz bTrzy glicyny muszą być przyłączone aby otworzyć kanał

Strychnina

(alkaloid z gat. roślin strączkowych) jest antagonistą receptora glicynowego

Jonotropowe receptory purynowe

(„purynergiczne”)

Są równieŜ opisane

jonotropowe receptory purynowe

P2x1-7 (oraz P2z?) choć większość z receptorów

purynowych jest metabotropowa.

Ligandem jest ATP lub adenozyna lub inne analogi nukleotydów
Są one uwalniane w niektórych synapsach w sposób kwantowy (wraz z katecholaminami i Ach).
Mogą przepuszczać zarówno aniony jak i kationy

Receptory jonotropowe (podsumowanie):

są odpowiedzialne za szybkie pobudzające i hamujące potencjały synaptyczne

Przeciętnie prąd

przechodzący przez pojedynczy kanał wynosi 10-12A (ampera) czyli ok. 6 mln
jednowartościowych jonów/sek.
Zwiększenie stęŜenia N-T nie zmienia przewodnictwa kanału (ok.20pS) ale zmienia
prawdopodobieństwo jego otwarcia.
Otwarcie kanału ma charakter procesu typu „wszystko-albo-nic”
Gdy bierzemy pod uwagę nie pojedynczy kanał ale ich liczny zbiór zwiększone
prawdopodobieństwo otwarcia kanału przekłada się na zwiększoną ilość otwartych
kanałów, których efekty się sumują.

NajwaŜniejsze receptory jonotropowe: podsumowanie

Nikotynowe receptory

acetylocholinowe

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

24/113

Receptory GABAAi GABAC
Receptory serotoninergiczne 5-HT3
Receptory glicynowe
Jonotropowe receptory purynergiczne P2x oraz P2z Jonootropowe receptory
glutamatergiczne (NMDA, AMPA)

Receptory metabotropowe

wła

ciwsza nazwa –

receptory sprz

ęŜ

one z białkiem G

(G-protein coupled receptors = GPCRs) :

Receptory „regulacyjne” - „brama” do biochemicznego i metabolicznego wn

trza komórki

G-protein coupled receptors (GPCR = „metabotropowe”)Zidentyfikowano ponad 1000 !
Receptorów metabotropowych
Bardziej wskazana nazwa to GPCR, poniewaŜ bardzo często poprzez aktywację białka G

modulują kanały jonowe

a nie bezpośrednio „wpływają na metabolizm”

Aktywacja białka G (GTP-binding protein) oznacza wymianę GDP w GTP
Tak zaktywowane białko

zmienia aktywność enzymów oraz kanałów jonowych.

Powstają

teŜ „second messengers”m.in. Aktywujący kinazy proteinowe.
Typowo działanie GPCR musi być wolniejsze niŜ w przypadku rec. jonotropowych ale teŜ
jest zarazem znacznie dłuŜsze (w efektach).
Większość małych N-T ma zarówno jono jaki metabotropowe receptory.

Na podstawie struktury GPCR dzieli się na 3 podrodziny:

1.Rodopsyny i receptorów adrenergicznych.
2.Sekretyny i vazoaktywnego intest. peptydu (VIP)
3.Metabotropowego receptora glutaminianergicznego

NajwaŜniejsze receptory metabotropowe

Muskarynowe

receptory acetylocholinowe

Receptory adrenergiczne
Receptory dopaminergiczne
Receptory GABAB
Metabotropowe receptory serotoninergiczne
Metabotropowe receptory purynergiczne
Metabotropowe receptory glutamatergiczne
Receptory neuropeptydów (wszystkie są GPCRs)

Ogólny model receptora metabotropowego

GPCR składa się z pojedynczego polipeptydu.

Receptor zawiera 7 transbłonowych helikalnych segmentów. KaŜda z 7 domen
transbłonowych zawiera ok. 24 aminokwasów.
GPCRs mogą istnieć jako pojedyncze jednostki a takŜe tworzyć homo i heterooligomery
Miejsce wiąŜące N-T znajduje się w duŜej części GPCR w środku receptora jednak

nie

dotyczy to mGluR i GABAB oraz Rec. Neuropeptydowych

Zamiany pojedynczego aminokwasu moŜe niekiedy zmniejszać siłę wiązania liganda 1000
a nawet 10000x
Związanie agonisty stabilizuje konformację aktywną i przesuwa równowagę w kierunku
formy aktywnej izomeru (aktywującej białko G)

Układ sygnalizacji poprzez receptory sprz

ęŜ

one z białkiem G

„składa si

” z :

•1) Receptora
•2) Białka G po wewn

trznej stronie błony cytoplazmatycznej, które mo

e by

stymulowane

przez zaktywowany receptor
•3) Efektorowego enzymu „wytwarzaj

cego” (zmieniaj

cego st

ęŜ

enie) II-rz

dowego

przeka

nika lub efektorowego kanału jonowego (w odpowiedzi na aktywacj

białka G)

Dwie drogi sygnalizacji poprzez receptory sprzężone z białkiem G:

jjjjedna „w kierunku” aktywacji

edna „w kierunku” aktywacji

edna „w kierunku” aktywacji kinazy

kinazy

kinazy PKA,

PKA,

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

25/113

po złączeniu z ligandem aktywacja cyklazy adenylowej

po złączeniu z ligandem aktywacja cyklazy adenylowej –––– wytworzenie cAMP,

wytworzenie cAMP,

aktywacja kinazy białkowej PKA

druga

druga „w kierunku” altywacji

„w kierunku” altywacji

„w kierunku” altywacji kinazy

kinazy

kinazy PKC

PKC

Po złączeniu z ligandem aktywacja fosfolipazy C

Po złączeniu z ligandem aktywacja fosfolipazy C ––––powstanie diacyloglicerolu i

powstanie diacyloglicerolu i

trójfosfoinozytolu, bezpośrednia aktywacja kinazy białkowej C (PKC) przez

diacyloglicerol oraz pośrednia poprzez uruchomienie jonów wapn

diacyloglicerol oraz pośrednia poprzez uruchomienie jonów wapnia (przez

ia (przez

trójfosfolinozytol) z retikulum endoplazmatycznego

Jest znanych ponad 600 receptorów (w tym dla światła!), które są sprzęŜone z jednym lub więcej z

rodzajów białka G (podjednostki alfa).

Z kolei białka G regulują jeden lub więcej z dwudziestu kilku róŜnych kanałów i enzymów.
Białko G musi „wykryć” aktywację receptora!

Aktywacja enzymu

np. cyklazy adenylowej produkującej cAMP lub fosfolipazy C generującej

diacyloglicerol oraz IP3 – (IP3 uwalnia Ca2+ z magazynów śródkomórkowych) stanowi czynnik

wzmacniający

sygnał.

cAMP, Ca2+, diacyloglicerol

aktywują kinazy proteinowe

dla wielu róŜnych substratów (enzymy, kanały,

białka strukturalne, czynniki transkrypcyjne).
cAMP, cGMP, kwas arachidonowy i Ca2+ mogą teŜ bezpośrednio otwierać i modulować kanały jonowe.
Białka G mogą takŜe bezpośrednio sprzęgać się z kanałmi jonowymi (bez pośrednictwa „second
messnger”)

Cechy sygnalizacji poprzez receptory sprz

ęŜ

one z białkiem G (metabotropowe)

Konkretny typ

receptora moŜe łączyć się na ogół (w większości) tylko z jednym rodzajem białka G

Neuron ma tylko określony podzbiór GPCR i białek G

Amplifikacja sygnału w układzie receptora typu GPCR:

1- zaktywowany receptor moŜe aktywować wiele „sztuk” białek G
2- kaŜda cyklaza adenylowa moŜe zsyntetyzować wiele cAMP
3- kaŜda kinaza proteinowa moŜe ufosforylować wiele kopii swojego substratu
Proces jest z początku wolniejszy (w porównaniu np. z receptorem jonotropowym) ale trwa dłuŜej.

„Orkiestracja” odpowiedzi komórkowej

Ten sam wtórny przekaźnik moŜe

jednocześnie

aktywować liczne i róŜne szlaki metaboliczne i aktywować

transkrypcję genów (tzw. „orchestrated response”.)

Białka G maj

trymerow

(trójzło

) budow

z podjednostek

(

podjednostka ma cechy GTPazy).

Zwi

zanie z receptorem uwalnia GDP (redukcja powinowactwa do GDP) a poniewa

w komórce

jest przewaga GTP, miejsce wi

ąŜą

ce nukleotyd zostaje zaj

te przez GTP i jednocze

nie

nast

puje dysocjacja białka G na

-GTP oraz (

Wymiana GTP-GDP jest powolna dlatego

„stan-on” jest zwykle bardzo niski.

Ponadto

-GTP odł

cza si

od receptora (redukcja powinowactwa).

•Oprócz heterotrymerycznych białek G (złoŜonych z 3 podjednostek) sa takŜe monomeryczne białka G (tzw.
small G-protein), które takŜe biorą udział w przekaźnictwie sygnałów. NaleŜy do nich (pierwsze odkryte z tej
grupy) białko

„ras”

(od wirusa powodującego mięsaka szczurzego - rat sarcoma) przekazujące sygnał z receptora

sprzęŜonego z kinazą i wpływające na róŜnicowanie i proliferację komórek

ródła specyficzno

ci sygnalizacji poprzez receptory sprz

ęŜ

one z białkiem G

Znanych jest 27

óŜ

nych gen

w podjednostki

oraz 5

i 13

Ale wszystkie teoretyczne kombinacje podtyp

gba

liwe.

Tradycyjnie u

ywa si

nazw z liter

G i indeksem dolnym

Np.
Gs (

s) – stymuluje

cyklaz

adenylow

; Gi – hamuje

cyklaz

adenylow

Gp –stymuluje

fosfolipaz

Go – inne efekty

Dimery [

] równie

stymuluj

ró

ne enzymy i kanały.

Specyficzno

ść

sygnalizacji przez okre

lony receptor osi

gana jest poprzez fakt,

e tylko

ograniczona liczba podtypów receptora oraz białek G i efektorów jest „na wyposa

eniu”

poszczególnych neuronów.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

26/113

Ponadto istnieje

„

kompartmentacja

”

efektorów (np.. Ten sam receptor mo

e regulowa

kanały

Ca2+ w zako

czeniu nerwowym a fosfolipaz

C w dendrycie).

Szlak sygnalizacji cyklazy adenylowej i PKA

Poziom cAMP jest regulowany poprzez

przeciwstawne enzymy:

cyklazy adenylowe

(tworz

ce cAMP) i fosfodiesterazy (PDEs)

degraduj

ce cAMP.

Cyklazy adenylowe tworz

Ŝą

rodzin

, (wyró

nia si

grupy izoform I-IX).

Niektóre cyklazy adenylowe

(zwł tzw. grupy A)

mog

„

detektorami koincydencji” poprzez

sprz

ganie sygnału prowadz

cego do wzrostu cAMP z sygnałem (od innego neurotransmitera)

wzrostu Ca2+.

N-T które u

ywaj

cAMP jak wtórnego przeka

nika poprzez aktywacj

lub hamowanie cyklazy

to m.in. : epinefryna, norepinefryna, dopamina, serotonina, VIP, somatostatyna.

cAMP-zale

na kinaza białkowa (PKA) neurotransmisja poprzez aktywacj

adenylocyklazy i cAMP, fosforyluje reszty Ser/Tre

-Regulacja ekspresji genów

poprzez [cAMP response element-building protein] = CREB
-Regulacja syntezy katecholamin (poprzez hydrolaz

tyrozyny)

-Regulacja MAP-2 (microtubule associated protein)
-Regulacja przewodnictwa błonowego (kanały K+)
-Regulacja czuło

ci receptora AMPA

-PKA jest kotwiczona do ró

nych miejsc przy pomocy tzw białek kotwicz

cych (anchoring

proteins AKAPs np. do AMPAR)

Specyfika działania receptorów metabotropowych

W momencie połączenia z białkiem G

wzmaga się powinowactwo agonisty do receptora a zarazem do samego białka G i to

pozytywne sprzęŜenie

wydłuŜa działanie agonisty !

Białka G są róŜne co oznacza takŜe, Ŝe ich róŜne podtypy aktywizują róŜne enzymy a stąd róŜne szlaki
metaboliczne.
Poszczególne izomery receptora łączą się z innymi rodzajami białka G i stymulują

fosfolipazę C

albo

fosfolipazę C i jednocześnie fosfolipazę A2.

Komórki regulują wraŜliwość na agonistę poprzez zmianę ilości receptora !
Innym istotnym mechanizmem regulacyjnym jest

desensytyzacja.

Desensytyzacja

chroni system sygnalizacji przed saturacją. Jej efektem i zarazem wykładnikiem jest

konieczność zwiększenia ilości agonisty aby wywołać mierzalne skutki aktywacji (np. ilość cAMP).

-(szybka desensytyzacja) przez fosforylację receptora

- („wolna” desensytyzacja) przez endocytozę receptora

Szlak aktywacji kinazy PKC (poprzez fosfolipaz

C, trójfosfoinozytol,

diacyloglicerol i jony wapnia)

(np. w muskarynowym receptorze Ach)

IP3 mobilizuje wapń działając poprzez specyficzne receptory.

Wapń jest zarówno elektrogennym jonem jak teŜ wtórnym przekaźnikiem.
Wapń wolno dyfunduje (wiązany przez proteiny) dlatego jako przekaźnik działa lokalnie !

NajwaŜniejszym mediatorem dla Ca2+ jest

kalmodulina

, która po przyłączeniu Ca2+ zmienia

konformację zwiększając powinowactwo do i aktywując ponad 20 enzymów m.in. róŜne kinazy.
Fosfatydylocholina jest równieŜ źródłem DAG
poprzez PKD ponadto aktywacja PLA2 prowadzi do powstania kw.arachidonowego
•Śródkomórkowe receptory-kanały wapniowe uwalniają wapń z zasobów wewnątrzkomórkowych (Ca jest
tu „trzeciorzędowym” przekaźnikiem):

•1. Receptor IP3•2. Receptor ryanodinowy* (m.in. w mięśniach - aktywowany depolaryzacją)
–(*ryanodine – roslinny alkaloid z tropikalnej rośliny Ryania speciosa uŜywany w mieszankach jako
insektycyd)

PKC (kinaza proteinowa C) (główny cel systemu sygnałowego PI)

-PKC to

kolektywna nazwa dla

rodziny kinaz

cych si

z sygnalizacj

przez PI i fosforyluj

cych reszty Ser/Thr

-PKC jest aktywowana przez diacyloglicerol (DAG) i Ca2+.
-W nowotworach PKC jest stymulowana nietypowo przez estry forbolu (promotory
nowotworowe), które symuluj

działanie DAG. Estry forbolu prowadz

do długotrwałej

stymulacji (godziny i dni) PKC i z niejasnych przyczyn wywołuj

degradacj

PKC

-Kinazy PKC s

monomerami

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

27/113

-Podobnie jak inne kinazy, PKC jest „kotwiczona” do ró

nych miejsc przez tzw. anchoring

proteins, które kotwicz

równie

inne kinazy (np.. A kinase anchoring protein - AKAP79)

-Do jej substratów nale

Ŝą

liczne białka regulacyjne cyklu i wzrostu komórki oraz m.in. kanałów

jonowych i receptorów takich jak NMDA i AMPA

Metabotropowe receptory dla poszczególnych NT

Receptory muskarynowe ACh

Muskaryna (alkaloid obecny w grzybach amanita muscaria) jest

agonistą metabotropowego mACh. Najbardziej znanym i stosowanym antagonistą mACh jest

atropina (oraz ipratropium)

mACh pełnią dominującą rolę w cholinergicznej neurotransmisji w

mózgu. Poza mózgiem są receptorami wszystkich komórek efektorowych unerwianych przez pozazwojowe
neurony układu PARASYMPATYCZNEGO

(takŜe niektórych układu sympatycznego unerwianych przez

cholinergiczne neurony).

Są zarówno

pre jak i postsynaptyczne

a ich głównym mechanizmem jest

działanie poprzez zmiany

kanałów jonowych.

Kanał dla K+ w sercu

, który gwałtownie wzmaga przepuszczalność w odpowiedzi na

pojawienie się acetylocholiny (uwolnionej z n.X)

był pierwszym kanałem jonowym, dla

którego udowodniono modulację poprzez metabotropowy muskarynowy receptor dla
ACh.

Presynaptyczny mACh reguluje uwalnianie Ach (działa tu zazwyczaj hamująco, co prowadzi do
sprzęŜenia zwrotnego).

Najbardziej znanym i stosowanym antagonistą mACh jest

atropina

Rodzina obejmuje 5 członków m1-m5:

m1, m3, m5 wiąŜą się z białkami G aktywującymi fosfolipazęC (PLC)

m2, m4 wiąŜą się z białkami G które hamuja cyklazę adenylową oraz regulującymi bezpośrednio

kanały dla K+ i Ca2+
M.in. Acetylocholina poprzez receptory muskarynowe moŜe wpływać na syntezę NO (następny slajd)
•M1 – jelito i gruczoły jelita

•M2 – serce, naczynia krwionośne
•M3 – mięśniówka gładka i róŜne gruczoły

Receptory adrenergiczne

Receptory dla noradrenaliny, adrenaliny (obie wiąŜą się do tego

receptora) - Dzielą się na trzy klasy

a1, a2, b

KaŜda klasa a1, a2, ma 3 podklasy, równieŜ

receptory klasy b mają 3 subklasy: b1, b2, b3.

Receptory b aktywują cyklazę adenylową a receptory a hamują cyklazę adenylową.

W mózgu głównymi receptorami adrenergicznymi są a2 i b1
Adrenergiczne receptory a i b są typowymi

receptorami neuronów postganglionicznych

autonomicznego układu sympatycznego.

Inne róŜnice w dystrybucji receptorów adrenergicznych:
a1 : mięśniówka większości naczyń krwion, mięsień rozszerzający źrenicę, mięśnie
pilomotoryczne
a2 : CSN, płytki krwi, zakończenia obwodowych nerwów adrenergicznych
b1 : serce, CSN
b2 : drogi oddechowe, macica, mięśnie części naczyń
Skutki stymulacji adenergicznej zaleŜą od rodzaju receptora.

Receptory adrenergiczne – punkt uchwytu wielu leków

Receptory b aktywują cyklazę adenylową a

receptory a hamują cyklazę adenylową.
Agonistami receptorów

są adrenalina i noradrenalina -

Adrenalina działa tak samo na aR i bR
Noradrenalina działa silniej na aR (ale działa teŜ na bR)
Antagonistą receptorów aR jest fentolamina (słabo wiąŜe teŜ b)
Agonistą receptorów b jest isoproterenol (izoprenalina)
Wybiórczy agonista receptorów b2 – fenoterol, salbutamol
Antagonistą receptorów b jest propranolol (selekt. bloker b1 są metoprolol, atenolol)

Inne róŜnice w dystrybucji receptorów adrenergicznych:

a1 : mięśniówka większości naczyń krwion, mięsień rozszerzający źrenicę, mięśnie pilomotoryczne
a2 : CSN, płytki krwi, zakończenia obwodowych nerwów adrenergicznych
b1 : serce, CSN
b2 : drogi oddechowe, macica, mięśnie części naczyń

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

28/113

Receptory dopaminergiczne

80% receptorów dopaminergicznych w mózgu znajduje się w obrębie

corpus striatum, które otrzymuje główna impulsację z

substantia nigra.

Poza tym receptory

dopaminergiczne znajdują się w korze mózgowej.

WyróŜnia się 5 podtypów receptorów dopaminergicznych (DA1-DA5)

D1 i D5 aktywuja cyklazę adenylową

, D3 i D4 hamują cyklazę adenylową.

Receptory dopaminergiczne wiąŜą (ale mało swoiście) róŜne leki jak bromokryptyna, haloperidol,
klozapina

Receptory GABAB

Obecne są w całym CSN, niekiedy kolokalizując z jonotropowymi receptorami

GABA (GABAA).
Mają pokrewieństwo do mGluR.
Są zarówno pre jak i postsynaptyczne.

Receptory postsynaptyczne

GABAB: działanie

hamujące

- wywołują tzw. „slow inhibitory postsynaptic

potential” (powolna hyperpolaryzacja poprzez aktywację przewodnictwa potasowego K+)

Receptory presynaptyczne

GABAB są elementem mechanizmu autorecepcyjnego hamującego uwalnianie

N-T poprzez aktywację kanałów K+ i hamowanie prądu wapniowego
Mogą niekiedy modulować kanały K+ bez pośrednictwa białka G.

Agonistą

GABAB jest lek baclofen.

Metabotropowe receptory serotoninowe: 5-HT(1,2,4,5)

(Uwaga! 5-HT3 jest jonotropowy)W mózgu: jądro szwu (n.raphae) w pniu mózgowym

Dzielą się na podtypy 5-HT1 – 5-HT5 (5-HT3 jest jonotropowym)
Receptory są sprzęŜone z cyklazą adenylową (pobudzając ją lub hamując)
5-HT bierze udział w modulacji rytmów

dobowych,

jedzenia, podwyŜsza ciśnienie krwi.

Metabotropowe receptory purynergiczne

WiąŜą ATP, inne analogi nykleotydów i adenozynę

(adenozyna w przeciwieństwie do ATP nie jest obecna w pęcherzykach synaptycznych dlatego jest
„nieklasycznym” N-T, adenozyna akumuluje się, w stanach nadmiernego zuŜycia ATP i niewystarczającej
regeneracji ATP, jednocześnie adenozyna przenika przez błony komórkowe i dlatego łatwo
rozprzestrzenia się, stąd moŜe nieść sygnał komunikujący o metabolicznym statusie neuronów do
komórek „sąsiedztwa”.)
Receptory adenozynowe oznacza się nazwami: A1, A2a, A2b, A3
Receptory ATP oznacza się literą: P2(x,y,z,t,u) (ale z nich P2x i P2z są jonotropowe)
Aktywacja receptora A1 (licznego w mózgu) hamuje cyklazę adenylową i powoduje wzrost fosfolipazy C.

Glutamatergiczne receptory metabotropowe

Receptory zwi

zane nie z kanałem jonowym,

ale z białkiem G,

fosfolipaz

i systemem wtórnych przeka

ników (trifosfoinozytol IP3 ,

diacyloglicerol DAG), obecne s

we wszystkich strukturach mózgu; wyst

puj

pozamózgowo w anatomicznym ukł.nerwowym, w sercu, jelitach, ko

ciach; moduluj

aktywno

ść

neuronów i reguluj

uwalnianie GLUW przeciwie

stwie do innych

metabotropowych receptorów miejsce wi

ąŜą

ce agonist

znajduje si

nie „wewn

trz” w obr

bie

rejonu transbłonowego ale

na zewn

trz błony

komórkowej.

Ponadto mGluR tworz

dimery (inne receptory metabotropowe s

monomerami).

Dziel

na grupy:

Grupa I
Zwi

zane z aktywacj

fosfolipazy C (wzrost IP

i DAG),

działaj

aktywuj

Receptory grupy I

zlokalizowane postsynaptycznie (obwodowe cz

ęś

ci synaps),

Grupa II

Zwi

zane z zahamowaniem cyklazy adenylowej (spadek poziomu cAMP),

działaj

hamuj

co,

receptory z grupy II i III s

głównie zlokalizowane presynaptycznie (udział w regulacji syntezy

i hamowaniu uwalniania glutaminianu?)
Aktywacja receptorów prowadzi tak

e do zahamowania kanałów Ca

Grupa III Mechanizm działania podobny do grupy II, zlokalizowane bli

ej centrum synapsy ni

recept.gr.II,

Receptory peptydowe (dla neuropeptydów)

Bardzo (bardzo...) liczna rodzina – ale Ŝadne nie są

kanałami jonowymi

Albo są typu „metabotropowego” – (GPCRs) albo są sprzęgnięte z kinazą tyrozynową

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

29/113

Rola wapnia w neurotransmisji

Ca2+ jest przeka

nikiem „orkiestruj

cym”

M.in. Calmodulina do aktywacji cz

ęś

ci enzymów wymaga podwy

szonego Ca2+

Ca2+-Kalmodulinozale

na kinaza białkowa: Wielofunkcyjna kinaza białkowa

(CaMKII)

dekoduje wszelkie sygnały które podwy

szaj

poziom Ca2+

CaMKII fosforyluje resztyn

Ser/Tre i jest złoŜona prawdopodobnie z 14 podjednostek z których kaŜda posiada domenę katalizującą i
regulatorową

CaMKII fosforyluje hydrolaz

tyrozyny, MAP-2, synapsin, kanały wapniowe, receptory

glutaminianowe, Ca2+-ATPase, czynniki transkrypcyjne,

-Kinaza CaMII jest aktywowana wapniem niezale

nie od jego

ródła

-Jest szczególnie obfita w neuronach (nawet 2% wszystkich protein w hipokampie tj. 50x wi

cej

w innych tkankach )

-Składa si

z 12 podjednostek, „kotwiczona” przez m.in..AKAP79 (A kinase anchoring protein);

podobnie jak PKC i PKA fosforyluje reszty Ser/Thr
-

-Autofosforylacja

jest jedn

z najistotniejszych cech CaMII. Powoduje 400x wzrost

powinowactwa do kalmoduliny i w efekcie aktywno

ść

CaMII trwa wiele sekund po spadku

poziomu wapnia !

Korzy

ci zwi

zane z sygnalizacj

poprzez receptory sprz

ęŜ

one z białkiem G (w porównaniu z

szybk

transmisj

)

1.Amplifikacja sygnału

1.Nawet rzędu wielu tysięcy razy poprzez aktywację enzymów
2.DuŜy zakres czasowy

- Stosunkowo szybkie działanie poprzez modyfikację kanałów jonowych

- WydłuŜone działanie gdy sygnał przenoszony jest na przekaźniki wtórne (od kilkuset msek w

sygnalizacji węchu z cAMP i IP3) do sekund lub minut
3.DuŜy zakres przestrzenny

Częściowo na skutek wydłuŜonego działania modulacja moŜe dotyczyć odległych w stosunku do

receptora procesów komórkowych (IP3 , DAG, mogą wpływać m.in. na ekspresję genów)

4.„Cross talk”

- Składniki transdukcji sygnału i ich enzymatyczne efektory (np. kinazy) oddziałuja wzajemnie na

siebie

5.Skoordynowana modulacja („orkiestracja” róŜnych procesów)

PKA, PKC, CaMKII s

tzw. „ kinazami kognitywnymi”

-PKA, PKC, CaMKII podlegaj

trwałym zmianom aktywno

ci nie ust

puj

cym nawet po zanikni

ciu stymuluj

cego je sygnału

(wtórnego przeka

nika)

-Kinazy te moduluj

aktywno

ść

synaptyczn

Po długiej stymulacji np. serotoninergicznej aktywne pojednostki C dostaj

do j

dra gdzie stymuluj

syntez

genów proteinaz (fosforylacja CREB) dla

podjednostki R co powoduje trwałe wydłu

enie aktywno

ci PKA

Fosfatazy proteinowe wykonuj

„robot

” przeciwn

do kinaz

Enzymy (odwrotnie ni

kinazy ale

w tych samych resztach) defosforyluj

(hydrolizuj

estrowe wi

zanie) ufosforylowane reszty

Ser/Thr albo Tyr (albo wszystkich wymienionych)
•Fosfatazy podobnie jak kinazy kontroluj

procesy metaboliczne, neurotransmisji, ekspresji

genów, plastyczno

ci, wzrostu etc.

•Spo

ród fosfataz tylko kalcineuryna (PP-2B) odpowiada bezpo

rednio na wtórny przeka

nik

(wzrost Ca2+).

•Kalcineuryna (PP-2B) jest zale

na od Ca2+kalmoduliny i jest obfita w mózgu ale zakres

działalno

ci PP-2B jest w znacznej cz

ęś

ci odmienny od równie

Ca2+kalmodulinozale

nej

kinazy CaMKII.

Dlatego sygnał wapniowy nie powoduje bezowocnego fosfo i

defosforylowania.!!!

•Fosfatazy fosfotyrozynowe („anty-kinazy” tyrozynowe) stanowi

osobn

klas

fosfataz,

niektóre z nich defosforyluj

równie

Ser/Thr; mog

zarówno zakotwiczone w błonie

komórkowej (maj

wtedy domeny pozakomórkowe umo

liwiajace „odbieranie sygnałów” z

zewn

trz) jak te

rozpuszczone w cytozolu.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

30/113

Kinazy i fosfatazy proteinowe oraz ich substraty stanowi

rodzaj zintegrowanej sieci.

Pomi

dzy kinazami i fosfatazami trwa rodzaj dialogu („cross-talk”)

Modulacja funkcji neuronu przez kinazy i fosfatazy

Kinazy i fosfatazy modyfikuj

1/5 wszystkich

białek
Kinazy katalizuj

transfer

fosforanowej grupy ATP na grupy –OH reszt Ser, Thr (treonina) lub

Tyr w specyficznych lokalizacjach białek. Wi

kszo

ść

fosforyluje albo Ser/Thr albo Tyr.

Fosfatazy hydrolizuj

grupy fosforylowe z Ser/Thr lub Tyr lub ze wszystkich.

Fosfatazy i kinazy proteinowe maj

wzajemnie odwrotne działanie.

Skutki fosforylacji

Zmiana aktywności katalitycznej enzymów

Zmiana powinowactwa enzymów do substratów lub kofaktorów
Modyfikuje interakcje między fosfoproteinami i DNA, fosfolipidami, innymi proteinami
Reguluje desensytyzacje receptorów ich wiązanie z innymi molekułami
Zmiana charakterystyk kanałów jonowych
Modyfikacja kinaz moŜe redukować ich wymagania odnośnie wtórnego przekaźnika (znaczenie w
plastyczności neuronalnej)

Sygnalizacyjne układy wewn

trzkomórkowe PODSUMOWANIE

Sygnalizacja poprzez receptory

sprz

ęŜ

one z kanałami jonowymi bramkowanymi ligandem

Sygnalizacja poprzez receptory sprz

ęŜ

one z kinazami tyrozynowymi (gł. dla czynników wzrostu

i troficznych)
Sygnalizacja poprzez receptory sprz

ęŜ

one z białkiem G (najliczniejsze odmiany receptorów)

Sygnalizacja poprzez receptory wewn

trzkomórkowe

Modulacja funkcji neuronu poprzez kinazy proteinowe i fosfatazy

Sygnalizacja wł

czaj

ca i reguluj

ca ekspresj

genów

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

31/113

Neurotransmisja i geny, ekscytotoksycznosc

Na styku neurotransmisji i ekspresji genów

Sygnalizacja wpływaj

ca na ekspresj

genów

•Sygnalizacja m-komórkowa nie tylko ogranicza si

do regulacji funkcji białek istniej

cych w

danym momencie w komórce, ale równie

e prowadzi

do regulacji syntezy białek poprzez

ekspresj

odpowiednich genów.

•Wydaje si

e fosforylacja (i defosforylacja) białek oraz regulacja ich ekspresji (genetyczna)

najwa

niejszymi czynnikami le

Ŝą

cymi u podstaw plastyczno

ci neuronalnej

•Zmiany ekspresji genów prowadza do długotrwałych zmian funkcji neuronów

Sygnalizacja wpływaj

ca na ekspresj

genów

•Aktywatory transkrypcji (np..CREB =cAMP response element-building protein)
•mog

mie

poło

enie odległe od podstawowego aparatu transkrypcyjnego

•Aktywator transkrypcji CREB

po fosforylacji

(np. przez szlaki PKA lub ras i inne) tworzy

poł

czenie z aparatem transkrypcyjnym przez po

rednictwo białka CBP (CREB-binding

protein). CBP jest form

tzw. białka adapterowego o cechach acetylotransferazy histonów

(„luzuj

cej” ich poł

czenie z DNA; inne białka adapterowe maja funkcj

deacetylazy histonów

hamuj

cej transkrypcj

; s

metyltransferazy i demetylazy histonowe o podobnych

efektach)
Białko CREB nale

y do licznej rodziny spokrewnionych białek.

Białek spokrewnionych z tzw. „activating transcription factors” (ATFs) oraz „CRE-
modulators” (CREMs)
•Rozsiane sekwencje regulatorowe genu rozpoznawane s

przez z reguły multimeryczne

czynniki transkrypcyjne (tworz

ce kompleksy np. poprzez tzw. „leucine-zipper”)

•Czynniki transkrypcyjne odległe (na nici DNA w relacji do basal promoter) kontaktuj

„basal promoter” poprzez po

rednicz

ce białka adaptorowe (np. CBP) , które cz

sto pełni

funkcje enzymatyczne modyfikuj

ce histony

•Czynniki transkrypcyjne mog

–Takie jak np. CREB -trwale zwi

zane z regulacyjnymi cis-elementami DNA (tzw. cAMP

response elements = CRE obecnymi w wielu genach)

CREB jest aktywowany przez aktywn

podjednostk

PKA

, która w tym celu musi wnikn

ąć

do j

dra.

CREB jest aktywowane je

li jest ufosforylowane na Ser-133 Tylko ufosforylowane CREB

rekrutuje CBP (acetylotransferaza histonów)

•Inne czynniki transkrypcyjne (poza CREB):

–Takie jak STATs „signal tranducers and activators” (np. dla cytokin), fosforylowane przez
receptorowe kinazy Trk aby dosta

do j

dra i ł

czy

z DNA

–Takie jak np. NF

B jest wyj

ciowo w cytoplazmie zwi

zany z I

B. I

B gdy ulegnie fosforylacji

uwalnia NF

B i umo

liwia jego wej

cie do j

dra

Sygnalizacja wpływaj

ca na ekspresj

genów

•CREB mo

e by

ufosforylowane nie tylko przez

aktywna podjednostk

PKA ale te

inne kinazy: CaMII, CaMIV oraz kinaz

RSK2

adna z tych kinaz z osobna nie daje wystarczaj

co silnego sygnału wymagana jest

KONWERGENCJA wszystkich lub wielu z nich (wymagany jest

sygnał koincydencji

)

Rola fosforylacji CREB w innych resztach ni

Ser-133 nie jest poznana ale nie wykluczone,

e by

wykorzystywana do bardziej precyzyjniejszej regulacji ??.

•Geny aktywowane przez CREB:

–c-fos
–BDNF
–Hydroksylaza tyrozyny
–Neuropeptydy (np. enkefalina, CRH)
• CREB odgrywa rolę (poprzez aktywowane geny) w długotrwałej plastyczności synaptycznej, uczeniu, pamięci)

Geny aktywowane transkrypcyjnie w wyniku pobudzenia synaptycznego, przez leki, lub
czynniki wzrostu mo

na podzieli

na dwie grupy (podział nie jest do ko

ca jednoznaczny):

Cellular immediate-early genes (IEGs)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

32/113

Late-response genes

-Cellular immediate-early genes (IEGs)

-Aktywowane gwałtownie szybko, w ci

gu minut, a tak

e przej

ciowo i nie wymagaj

uprzedniej syntezy nowych białek. „Klasycznie” s

to geny dla czynników transkypcyjnych.

(np. gen c-fos dla białka c-Fos)

-Tych genów (białek przez nie kodowanych) zacz

to u

ywa

jako

markerów (synaptycznej)

aktywno

ci neuronalnej !!

-Białkowe produkty IEGs funkcjonuj

ce jako czynniki tranksrypcyjne wi

ąŜą

z elementami

cis-regulatorowymi genów odpowiedzi pó

nej (late-response genes) aby je aktywowa

lub

blokowa

. Zatem IEGs mo

na nazwa

„trzeciorz

dowymi przeka

nikami”

-Late-response genes
-Geny indukowane (lub hamowane) wolniej (w ci

gu godzin) i wymagaj

ce syntezy nowych

białek (czynników transkrypcyjnych)

C-Fos – marker aktywności neuronów

•c-Fos nazwano w zwi

zku z homologi

do białka

wirusa (FBR osteogenic sarcoma virus).
•c-Fos jest produktem genu c-fos (jednego z ogromnej rodziny czynników transkrypcyjnych
posiadaj

cych tzw. Leucine zipper pełni

cy rol

w ich dimeryzacji z innymi białkami zwł. z

rodziny Jun, które równie

razem z Fos s

tzw. immediately-early genes)

•Białka c-Fos ł

c si

ze specyficznymi sekwencjami DNA moduluj

ekspresj

genów

(„ekspresjonowanych” pó

niej)

•Poniewa

wiele neuronów wykazuje ekspresj

c-Fos tylko po stymulacji synaptycznej białko

c-Fos lub jego mRNA mo

e by

ywany jako

marker aktywno

ci synaptycznej np.

immunohistochemicznie
•Dzi

ki temu mo

na ocenia

które neurony były aktywne po stymulacji np. okre

lonym lekiem

czy innym bod

cem.

UWAGA

-Wiele białek neuronalnych jest produkowana w wyniku bezpo

redniej indukcji bez u

ywania

„genów natychmiastowo-wczesnych” (IEGs).
Np. geny koduj

ce neuropeptydy (proenkefalina, prodynorfina, niektóre czynniki

neurotroficzne) s

aktywowane w odpowiedzi na depolaryzacj

, lub cAMP poprzez fosforylacj

konstytutywnie ekspresjonowanego CREB

Induktory ekspresji genów w układzie nerwowym:

-Podział na czynniki wzrostu, troficzne,

cytokiny jest cz

sto arbitralny natomiast sygnałowe mechanizmy

wewn

trzkomórkowe

mog

yteczne w podziale

zewn

trzkomórkowych

ró

nych czynników sygnalizacyjnych

-Czynniki działaj

ce poprzez receptorow

kinaz

tyrozynow

-Czynniki wzrostu, brain derived neurotrophic factor – (BDNF), neurotrofina-3 (NT-3), epidermal
growth factor (EGF), fibroblast growth f. (FGF)

-Czynniki działaj

ce poprzez niereceptorowe kinazy tyrozynowe

: Cytokiny: leukemia inhibitory

factor (LIF),
-Ciliary neurotrophic factor (CNTF), Interleukina-6 (IL-6)
-Receptory tych („non-Trk zale

nych”) czynników zawieraj

podjednostk

przekazuj

sygnał

gp-130 i współdziałaj

z niereceptorowymi kinazami z rodziny „Janus kinase” (Jak) takimi jak

Jak1, Jak2, Tyk2. Kinazy te fosforyluj

jedno lub wi

cej białek typu STAT. Dimery STAT

przechodz

do j

dra gdzie rozpoznaj

„cytokine response elements” Ró

ne białka z grupy

STATs swoi

cie („preferencyjnie”) aktywowane s

przez ró

ne receptory cytokinowe.

-Hormony steroidowe

(gluko i mineralokort., estrogen, testosteron) przenikaj

do wn

trza

komórki i ich receptorami s

same czynniki transkrypcyjne, które po aktywacji przez hormon

przechodz

do j

dra i tam rozpoznaj

„cognate response elements” wzmagaj

c lub hamuj

odpowiednie geny

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

33/113

Energetyka kr

ąŜ

enie obrazowanie

„Energetyka” mózgu•
W jaki sposób potrzeby funkcjonalne aktywności mózgu są ściśle związane z aktywnością metaboliczno-
energetyczną

•Rola kooperacji neuronalno-glejowej
•Glukoza jest głównym „paliwem” dla „siłowni” komórek mózgowych

•Waga mózgu to 2% ciała* ale zuŜycie glukozy sięga 25% ! (zuŜycie tlenu nieznacznie mniej)
•W mózgu glukoza niemal w 100% jest utleniana do CO2 i wody poprzez glikolizę, cykla Krebsa i oksydatywną
fosforylację, które to procesy „wyciskają” z mola glukozy 36 moli ATP (38-2)
Tzw współczynnik mózg/ciało:
U człowieka = 0.02 (zuŜycie tlenu 25%)

ZuŜycie glukozy w mózgu

RóŜnica poziomu glukozy między krwią tętniczą i Ŝylną gluc(A-V) wynosi

0,55 mmol/l (= 0,55

µµµµ

mol/ml)

(Ide K. I wsp.

J Appl Physiol 87: 1604-1608, 1999;

Przepływ krwi wynosi

0,55 ml/g/min

Zatem zuŜycie glukozy na min na gram wynosi:
0,55 mmol/ml x 0,55 ml/g/min =

0,3025 mmol/g/min

(czyli ok. 30 mmol/100g/min)

Jeśli mózg waŜy 1200g (a doba = 1440 min) to na dobę mózg zuŜywa

0,3028 mmol/g/min x 1200 x 1440 = 522720 mmol (= 0,52 mola)
1 mol = 180 g a zatem odpowiada to ok.

94 g glukozy/mózg/doba

(standardowa dieta dorosłego wynosi 2500 kcal tj równowaŜnik 625 g glukozy)

Mózg dorosłego męŜczyzny – ok. 1350 g, kobiety – 1200g

C6H12O6

6O2

6CO2

6H2O

+ energia (z 0,5 mola glukozy jest 3 mole CO

)

3mole x 25,4 litra/mol gazu = 76,2 litra CO2 (w temp. 36 st C) Tyle dwutlenku węgla powstanie

Wyznaczanie lokalnego zuŜycia glukozy:
2-DG (deoksygukoza) łatwo przenika przez BBB (ten sam transporter jak dla glukozy) i tak samo jest
fosforylowana przez heksokinazę ale dalej juŜ nie włącza się w szlak glikolizy i jest akumulowana w
komórkach. Tzw.

local cerebral metabolic rates

glukozy (LCMRglu) moŜe być u zwierząt wyznaczany

autoradiograficznie po uprzednim podaniu doŜylnym (18F-labeled 2-DG)
Wyznaczone

u szczurów

za pomocą autoradiografii stopnie zuŜycia glukozy (poprzez 2-DG) wahają się od

50 do 150 mmol/100g/1min

Na to samo, poprzez uŜycie (18F-labeled 2-DG) pozwala

przyŜyciowo

u ludzi i zwierząt technika PET,

Glukoza jest poprzez

glikolizę

oraz cykl Krebsa podstawowym „paliwem” dla mózgu

Jednak w warunkach ketogennych takich jak:

cukrzyca, głodzenie i karmienie piersią

ciała ketonowe równieŜ mogą dostarczać energii

Fosfofruktokinaza

–

główny enzym limituj

cy glikoliz

jest hamowana przez ATP !

Spadek ATP stymuluje enzym i jednocze

nie glikoliz

Metabolizm glukozy w mózgu jest podobny jak w innych narządach i obejmuje trzy podstawowe szlaki:

Glikoliza
Cykl kwasów trójkarboksylowych
GLIKOLIZA: szlak od glukozy do pirogronianu daje netto 2 ATP z 1 glukozy
Gdy glikoliza „produkuje” nadmiar pirogronianu i nie jest on efektywnie utleniany w cyklu Krebsa
(konsumpcja tlenu niewspółmierna do utylizacji glukozy) wtedy powstaje nadmiar kwasu mlekowego. Jest
to sytuacja w czasie aktywacji kory i jest podobna do mięśni w czasie wysiłku.
Dehydrogenaza kwasu mlekowego (LDH) zamienia mleczan w pirogronian

Wrodzona kwasica mleczanowa (zaburzenia przemiany węglowodanów) występuje w:

•Niedobór

karboksylazy kwasu pirogronowego

•Niedobór kompleksu dehydrogenazy kwasu pirogronowego (PDHC)
•Niedobór enzymów łańcucha oddechowego (szczególnie kompleksu I i IV)
•Pojęcie kwasicy mleczanowej łączy encefalopatie mitochondrialne i niemitochondrialne zaburzenia
metaboliczne przemiany glukozy  - zmiany neuropatologiczne w tych zespołach (congenital lactic acidosis,
Leigh’s s., Kearns-Sayre s., MELAS, MERRF) wykazują znaczne podobieństwa  (zob. dalej)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

34/113

Całkowite spalanie glukozy w warunkach aerobowych

C6H12O6

6O2

daje 6CO2

6H2O

+ energia

W warunkach aerobowych dehydrogenaza pirogronianu dekarboksyluje pirogronian do
Acetylo-CoA, który nast

pnie ł

czy si

ze szczawiooctanem tworz

c cytrynian rozpoczynaj

cykl Krebsa.

Oksydatywna fosforylacja daje 18 ATP z jednego mleczanu (pirogronianiu)

Zamiana mleczanu w pirogronian nie wymaga ATP i dlatego

mleczan jest

dogodniejszym „paliwem” dla neuronów niŜ glukoza.

RównieŜ przemiana pirogronianu

w Glutaminian nie wymaga zuŜycia tlenu.

ATP i NADPH

są podstawowymi nośnikami energii dla mózgu

BILANS spalania glukozy

C6H12O6

6O2

daje w wyniku 6CO2

6H2O + energia

Przy zało

eniu pełnego „spalania” 1 cz

steczki glukozy otrzymujemy:

36 ATP

(z 36 ATP tylko 2 ATP z glikolizy, reszta z oksydatywnej fosforylacji)

ZuŜycie glukozy w mózgu:

ok. 30 mikromola/100g/min

Przy zało

eniu pełnego „spalania”

Na 6 moli tlenu przypada 1 mol glukozy
I rzeczywi

cie dla mózgu współczynnik poboru (zu

ycia) O2/glukoza wynosi ok.

6/1

Wysiłek powoduje spadek tego współczynnika a jeszcze bardziej współczynnika poboru dla
w

glowodanów O2/(glukoza +1/2mleczanu) bo dodatkowo jest wykorzystywany mleczan z krwi.

Ponadto je

li dobrze obliczy

to współczynnik poboru tlen/glukoza jest nieco ni

szy ni

6/1

(zob. „afera”)

Współczynnik poboru (zuŜycia) O2/glukoza wynosi ok.6/1. Wysiłek powoduje spadek tego współczynnika
a jeszcze bardziej współczynnika poboru dla węglowodanów O2/(glukoza +1/2mleczanu) bo dodatkowo
jest wykorzystywany mleczan z krwi.

ycie tlenu przez mózg wynosi:

160

ikromol tlenu/100g tkanki mózgu/1min

(niektóre wyliczenia mog

nieznacznie odmienne wyniki) np.

Przepływ krwi w mózgu (CBF) u dorosłego wynosi

- 57ml/100g tkanki/1min

Ró

nica zawarto

ci tlenu mi

dzy krwi

tnicz

yln

(z opuszki

yły szyjnej) wynosi:

[AO2-VO2] = 3,1mikromol/ml

Zatem zu

ycie tlenu wyniesie

[AO2-VO2] X przepływ[AO2-VO2] 3,1

ikromol/ml x

0,55

ml/g/min = 1,705

ikromol/g/min]

1,705

ikromol/g/min = 170,5

ikromol/100g/min (to jest nieco wi

cej ni

160

ikromol)

Nie mniej niezale

nie od sposobów obliczania w przybli

eniu mózg zu

ywa ok. 20% całego tlenu

ywanego przez cały organizm

i w przybli

eniu tyle samo produkuje CO2 (tzw współczynnik

oddechowy = 1)

ALE UWAGA !!!

Mózg zuŜywa glukozy:

30 mikromol glukozy / 100g tkanki / 1min

W przypadku współczynnika oddechowego = 1 obliczenie stechiometryczne wskazuje, Ŝe
6mmol O2 potrzeba na utlenienie 1mmol glukozy. A zatem jeśli 160

mikro

moli tlenu

podzielimy przez 6 otrzymamy 26,7 (a więc wyraźnie mniej niŜ obliczone
eksperymentalnie przy pomocy pomiaru glukozy w krwi tętniczej tętnic szyjnych i Ŝylnej
w opuszce Ŝyły szyjnej) zuŜycie glukozy 30

mikro

mol/100g/min !)

Na co więc idzie te „ekstra” 3,3 mikromola glukozy? (wyjaśnienie „afery cukrowej”)

1)Część (stosunkowo niewielka co prawda) glukozy jest „spalana” tylko do kwasu mlekowego (a zatem
bez konsumpcji tlenu)
2)Nieco glukozy jest „magazynowane” w postaci glikogenu
3)glukoza jest konieczna dla konstrukcji makromolekuł takich jak: glikolipidy, glikoproteiny
4)Glukoza jest konieczna do wytwarzania 3 kluczowych neurotransmiterów : Glu, GABA, ACh.

Metabolizm energetyczny jest w mózgu wyraźnie porozdzielany („compartmentacja”):

b-oksydacja wolnych kwasów tłuszczowych odbywa się

tylko w astrocytach

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

35/113

Oprócz glukozy jedynym potencjalnym pełnym „zamiennikiem” glukozy jest

mannoza

, która przenika

przez BBB i poprzez 2 reakcje jest przekształcana do fruktozo-6-fosforanu (elementu glikolizy). Jednak
mannoza nie jest normalnie obecna we krwi.
Najnowsze obserwacje wskazują, Ŝe mleczan wbrew poprzednim mniemaniom moŜe przedostawać się
przez BBB.

Zarówno mleczan jak i pirogronian mogą być preferowanymi substratami energetycznymi dla aktywnych
neuronów

Oprócz glukozy

ciała ketonowe

(acetooctan, D-3-hydroksymleczan) stanowią istotne

„paliwo” w przypadku karmionych piersią osesków
(mleko ma 55% tłuszczu w porównaniu z 30-35% w diecie po okresie karmienia piersią,
więc jest to takŜe rodzaj adaptacji do diety).
Ciałą ketonowe są teŜ zarówno dostarczycielami energii jak i

prekursorami dla

lipogenezy

, bardzo istotnej w okresie formowania się mieliny!

Ale w wieku niemowlęcym nawet glukoza moŜe być metabolizowana do substratów dla
lipogenezy (mielinizacja!).
TakŜe wolne kwasy tłuszczowe poprzez acetyl-CoA mogą słuŜyć do produkcji ATP
RównieŜ

głodzenie (i cukrzyca)

powoduje wzrost uŜycia ketonów, których poziomy są

podwyŜszone z powodu katabolizmu lipidów jako dostarczycieli energii.

Oprócz ATP drugim waŜnym związkiem energetycznym jest NADPH (zredukowany
nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) wytwarzany z glukozy w cyklu
pentozowym

Cykl pentozowy: produkuje NADPH
Jeśli potrzeba silnych związków redukujących np. do wytwarzania kwasów tłuszczowych
z acetylo-CoA lub produkcji mieliny spadek NADPH aktywuje cykl pentozowy.
NADPH jest teŜ konieczny do usuwania ROS

NADPH (produkowane w cyklu pentozowym) jest konieczny dla usuwania ROS (powstałych np. w
oksydatywnej fosforylacji, w wyniku działania enzymów jak: hydroksylaza tyrozyny, NOS,
lipooksygenaza, cyklooksygenaza)

Zesp. Wernickego-Korskakoff’a

– patogeneza zwi

zana z elementem cyklu pentozowego

(transketolaza)
Zesp W-K dotyczy alkoholików; objawy: zab. pami

ci, zab.chodu i mi

ęś

ni okulomotorycznych.

Zesp W-K wynika ze zmniejszonej aktywno

ci transketolazy i braku vit B1 (pirofosforan tiaminy

jest kofaktorem transketolazy)
U osób wra

liwych tiamina 10x słabiej ł

czy si

z enzymem i je

li s

alkoholikami lub

przewlekle niedo

ywionymi powstaje zespół Korsakoff’a

Mleczan i pirogronian

pozwalają na utrzymanie aktywności neuronalnej w izolowanym

skrawku mózgu (pozbawionym krąŜenia !). To one są preferowanymi substratami dla
produkcji energii w neuronach !
Jednak ich przechodzenie przez BBB choć w świetle najnowszych badań moŜliwe jest
prawdopodobnie niewielkie?
(Wykryto teŜ transportery dla kwasów monokarboksylowych w kapilarach mózgu!)
Mózg w znacznej mierze „pracuje lokalnie”. Logiczne jest zatem, Ŝe posiada mechanizmy
lokalnie regulujące dopływ substratów energetycznych, a więc

regulujące przepływ krwi

Zobacz DODATEK

Badania przy pomocy PET (Zobacz DODATEK) z jednoczesnym obserwowaniem Local Cerebral
Metabolic Rate dla tlenu (

konsumpcja tlenu

), oraz dla

glukozy

a takŜe

przepływu

krwi pozwoliły na ocenę

ich wzajemnych relacji. Stwierdzono, Ŝe w ludzkim mózgu

te trzy parametry metaboliczne są ze sobą

związane

(czyli wzrastają jednocześnie i proporcjonalnie w czasie aktywacji mózgu) ale w róŜnych

okolicach stopień korelacji moŜe być róŜny!

Mózg w sytuacji zwiększonego zapotrzebowania na energię uŜywa przede wszystkim
glikolizy a później oksydatywnej fosforylacji.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

36/113

Na co mózg zu

ywa energi

Najbardziej konsumującym energię procesem w mózgu

(ok. 50% całej

energii z PODSTAWOWEJ oksydacji glukozy, czyli w stanie nieaktywnym neuronów)

jest

utrzymanie

gradientów jonowych

pomiędzy błonami cytoplazmatycznymi.

Energię (ATP) zuŜywają pompy a szczególnie Na+K+ATPase

Attwell i Laughin (2001) obliczyli

wydatek energetyczny na transmisje synaptyczną

Koszty wychwytu i recyklingu Glu wynoszą 2,67 ATP/molekułę Glu.
PoniewaŜ pęcherzyk zawiera 4000 Glu zatem

koszt recyklingu Glu na 1 pęcherzyk wynosi

blisko ok. 1,1 x 104 ATP (11000)

Odnowienie gradientów jonowych po impulsie Glu i aktywacji NMDAR i non-NMDAR

wynosi ok. 1,4 x 105 ATP (140000 ATP) / pęcherzyk.

Suma zuŜycia energii w przeliczeniu na pęcherzyk synaptyczny: 1,1 x 104 + 1,4 x 105 =

1,51 x 105 ATP (151000)

Podstawowa (spoczynkowa) konsumpcja

energii

dla neuronu

wynosi 3,4 x 108 ATP/komórkę/sek

dla komórki glejowej

1 x 108 ATP/komórkę/sek

Wydatek na „aktywność”

2,8 x 109 ATP/neuron/sek

Ok. 87% energii idzie na Glu-mediowaną neurotransmisję a 13% na utrzymanie
potencjału spoczynkowego

Astrocyty i metabolizm mózgu

Potrzeby energetyczne zale

Ŝą

od typu, wielko

ci (tak

długo

ci aksonu) i obci

ąŜ

enia prac

neuronu.

Energi

dostarczaja tak

e komórki gleju i endotelia.

np. stosunek ilo

ci astrocytów do neuronów w przybli

eniu wynosi 1:1 ale im wi

kszy mózg

stosunek ten jest wy

szy na korzy

ść

astrocytów. Astrocyty otaczaj

c endotelia „stópkami

cymi” stanowi

pierwsz

„stacj

” przeładunkow

(i przetwórcz

) dla glukozy. Jednocze

nie

szczelnie otaczaj

c synapsy i wychwytuj

c N-T

najlepszymi kandydatami do roli czujników

aktywno

ci neuronalnej.

Podstawowy

poziom zuŜycia glukozy obliczony w hodowli mieszanej astrocytów i neuronów (Magistretti i

Pellerin 1999) wynosi:

Dla astrocytów 20 nmol/mg/min
Dla neuronów 2 nmol/mg/min
Te wartości są zbliŜone do uzyskanych in vivo metodami autoradiograficznymi z 2-DG w korze mózgu
(10-20 nmol/mg/min)

Zatem …astrocyty zuŜywają w warunkach podstawowych znacznie więcej glukozy niŜ neurony !!!

Ale aktywowane astrocyty przy pomocy glutaminianu (in vivo Glutaminian aktywuje astrocyty w czasie
aktywności neuronalnej) zwiększają zuŜycie glukozy w sposób zaleŜny od stęŜenia Glutaminianu i
zjawisko to zaleŜy nie od receptorów Glutaminianu ale od transporterów (EAAT, grają rolę m.in. w
patogenezie ALS)
Transport Glutaminianu do astrocytów jest sprzęŜony z wprowadzaniem jonów Na+ (2-3 Na+ na 1
Glu)(nb. wraz z Glu do astrocytów wchodzi teŜ woda)

PodwyŜszenie stęŜenia Na+ w astrocytach stymuluje pompę jonową (Na+K+-ATPazę). Powoduje to
spadek ATP co z kolei stymuluje enzymy glikolizy: fosfofruktokinazę i heksokinazę.
Innymi słowy: „wpuszczanie Na+ wraz z Glu do astrocyta powoduje wzrost Na+ co stymuluje

Na+K+ATPazę a ta z kolei stymuluje glikolizę.

Aktywacja NA+K+ATPazy wywołuje stymulację glikolizy?

Wykazano, Ŝe ATP jest negatywnym regulatorem fosfofruktokinazy a konsumpcja
(spadek ATP) wywołuje wzrost aktywności tego enzymu (który limituje glikolizę).
RównieŜ następuje wzrost aktywności heksokinazy (fosforylującej glukozę i 2-DG)

Na 1 Glu i 3 Na+ wchodzące do astrocyta przypada wejście 1 glukozy, produkcja 2 ATP i 2 mleczanów w
procesie glikolizy. Z tych 2 ATP jeden „idzie” na pompę Na+K+ATPazową, drugi na syntezę Gln

W ten sposób metabolizm glukozy związany jest z aktywnością neuronalną.

Glutaminian pobudza astrocyty do zwiększenia metabolizmu glukozy (czyli wtedy gdy
neurony „bardziej pracują” uwalniając Glutaminian, astrocyty zwiększają metabolizm...)

Glutaminian stymuluje glikolizę w astrocytach a takŜe stymuluje wychwyt glukozy i fosforylację

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

37/113

pobór 1 Glutaminian z 3 Na+
1 glukoza wchodzi do astrocyta
glikoliza daje 2 ATP i 2 mleczany
mleczany przechodz

do neuronu

w neuronie daj

po 18 ATP

Dominuj

ca przemiana Glutaminianu w astrocycie to amidacja wymagaj

ca syntazy glutaminy

(GS) i ATP UWAGA! To jest te

usuwanie amoniaku!

Glutamina jest oboj

tna dla neurotransmisji dlatego „bezpiecznie” przenika do neuronu

Glutaminaza w mitochondriach neuronu przekształaca glutamin

(Gln) w glutaminian (Glu)

(powstaje te

w tej reakcji NH

)

Neuron moŜe uzupełnić pulę Glutaminianu przez wykorzystując mleczan

Wiemy ju

wzmo

ona aktywno

ść

neuronalna powoduje stymulacj

poboru glukozy i glikolizy w

astrocytach ALE CO Z ENERGI

DLA NEURONÓW ?

Wiadomo,

e neuronom w hodowli „wystarcza” mleczan i pirogronian.

Z hodowli astrocytów uwalnia si

głównie mleczan, a pirogronian 10x mniej, natomiast inne

produkty glikolizy w jeszcze mniejszych wr

ladowych ilo

ciach (alfa-ketoglutaran,

cytrynian, maleate).

Wykazano,

e aktywacja neuronów powoduje wzrost uwalniania mleczanu z astrocytów oraz

wzrost jego poboru przez neurony.

Krew najprawdopodobniej nie jest

ródłem mleczanu dla mózgu.

Tak

e spektroskopia MRJ potwierdza wzrost mleczanu w strefach aktywacji neuronów (np. w

korze wzrokowej).

MLECZAN JEST BARDZO „WYGODNYM” PALIWEM DLA NEURONÓW

Spalanie oksydatywne mleczanu wytwarza 18 ATP. Ponadto przemiana mleczanu w
pirogronian (enzym LDH lactate dehydrogenase)

nie wymaga ATP

(jak to jest w przypadku

wst

pnego etapu glikolizy.

Trzeba te

pami

e mleczan i pirogronian s

substratami dla Glu ! (st

d wspomniana cz

ęść

przyczyn „rozprz

gni

cia” konsumpcji glukozy i tlenu)

ROLA GLIKOGENU

Glikogen (akumulowany głównie w astrocytach, kk. ependymy i niektórych du

ych neuronach)

jest najwi

kszym energetycznym rezerwuarem dla mózgu.

W mózgu jednak w porównaniu z innymi narz

dami (w

troba, mi

ęś

nie) jest go 100x mniej ni

trobie i 10 mniej ni

w mi

ęś

niach.

Jest zatem raczej „buforem” metabolicznym ni

„zapasem paliwa”.

Jednak stwierdzono,

e wymiana glikogenu w mózgu jest bardzo szybka i skoordynowana z

aktywno

synaptyczn

Magistretti i wsp. w 1993 r stwierdzili,

w ogólnym znieczuleniu (atenuacja aktywno

synaptycznej) gwałtownie wzrasta poziom glikogenu w mózgu

Natomiast w hodowli samych astrocytów anestetyki nie daj

tego efektu.

A zatem jest to efekt mediowany przez neurony (zahamowanie ich aktywno

ci wzmaga zasoby

glikogenu.
Potwierdza to równie

fakt,

e w obszarach gdzie zniszczone s

neurony i powstaje glioza, jest

ona bogata (reaktywne astrocyty) w glikogen („zahamowanie” neuronalne z powodu braku
neuronów ???).
Stwierdzono,

e niektóre szlaki nerwowe stymuluj

pobór energii z zapasów glikogenu (np..

stymulacja wibrysów u szczurów obni

ała zapasy glikogenu w w tzw. polu „baryłkowym” kory

somatosensorycznej.

Astrocyt i neuron tworz

rodzaj wspólnej „jednostki metabolicznej”

Metabolizm glukozy jest regulowany czasowo, przestrzennie i funkcjonalnie i (jak si

wydaje)

le odzwierciedla aktywno

ść

neuronaln

Ale miejscem gdzie wzrasta metabolizm glukozy nie jest „ciało neuronu” ale raczej NEUROPIL,
gdzie s

zlokalizowane pre i postsynaptyczne struktury otoczone

le wypustkami

astrocytów.
W odpowiedzi na wyrzut glutaminianu zwi

zany z aktywno

neuronaln

astrocyty uwalniaj

metabolit glukozy – mleczan, który jest potrzebny neuronom jako paliwo.
Glukoza dostarcza te

„w

glowego szkieletu” dla odnawiania puli neurotransmitera

(Glutaminianu) a kluczow

rol

pełni astrocyt m.in. poniewa

wył

cznie on posiada

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

38/113

karboksylaz

pirogronianu,

która przekształcaj

c pirogronian do szczawiooctanu (tzw. reakcja

anaplerotyczna) „otwiera drog

” do cyklu Krebsa.

Wskazuje to na wyspecjalizowanie funkcji

syntezy glutaminianu i innych aminokwasów w tych komórkach.
Inny selektywny dla astrocytów enzym:

syntetaza glutaminy

zamienia glutaminian na glutamin

i dopiero glutamina przechodzi do neuronów gdzie (dzi

ki glutaminazie) jest przetwarzana w

glutaminian (dzi

ki enzymowi

glutaminazie

w mitochondriach która hydorolizuje glutamin

glutaminianu z wytworzeniem NH

Glukoza dostarcza „węglowego kręgosłupa” dla glutaminianu natomiast azot dostarczany
jest przez leucynę i dzięki transaminazie leucyny (LT)
Grupa aminowa przenoszona jest na a-ketoglutaran i w rezultacie powstaje glutaminian
oraz a-ketoizocapronian (a-KIC)

UWAGA!

Dehydrogenaza

-ketoglutaranu -

enzym kluczowy dla losów

-ketoglutaranu katalizuj

cy jego

konwersj

do sukcynylo-CoA ma nisk

aktywno

ść

u wielu chorych na Alzheimera !?

Encefalopatia w

trobowa- przykład jak zaburzenie metabolizmu astrocytów

wpływa na funkcje całego mózgu

•Astrocyty łączą z neuronami ścisłe więzy

metaboliczne
•Zaburzenie funkcji astrocytów w encefalopatii wątrobowej (selektywnie dotyczące tych
komórek) powoduje szereg objawów neurologicznych i psychiatrycznych. Świadczy to
pośrednio jak bardzo zaleŜne są neurony od astrocytów.
•Amoniak w nadmiarze wnikając do astrocytów zmusza je do detoksyfikacji (syntaza
glutaminy) na co spoŜytkowują zarówno na bieŜąco produkowaną energię jak i zapasy
energetyczne (glikogen). Astrocyty ulegają degeneracji widocznej w mikroskopie. Stają
się one niewydolne w prawidłowym zaopatrywaniu neuronów w metabolity

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

39/113

Neuro-synapto-geneza, plastyczność

Podstawy embriogenezy układu nerwowego

d si

bior

„dojrzałe” komórki układu nerwowego

oraz ich funkcjonalne zwi

zki?

•Komórki „rodz

” i dojrzewaj

poddane zarówno cechom własnym (ekspresja genów

w okre

lonej

sekwencji czasowej

) jak i wpływom sygnałów zewn

trznych

•Ostateczne „dojrzewanie” i „umocowanie” w społeczno

ci układu nerwowego jest równie

zwi

zane z

migracj

, dzi

ki której komórki wygenerowane w ró

nym czasie i z ró

nymi wła

ciwo

ciami wchodz

we wzajemne kontakty tworz

c układy zdolne do kooperacji.

•Kooperacja kształtuje si

poprzez wymian

informacji głównie w postaci aktywno

ci elektrycznej

(potencjały czynno

ciowe) i neurochemicznej (transmisja synaptyczna)

Podstawy ró

nicowania i rozwoju układu nerwowego

Eksperymenty Mangold’a i Spemann’a z lat 30-tych wskazały na istnienie „tkanki
organizuj

cej” powoduj

cej indukcj

płytki i w konsekwencji układu nerwowego z ektodermy.

Liczne badania ujawniły,

e ektoderma nie tyle potrzebuje indukcji aby utworzy

struktury

nerwowe ale b

c „uprzednio zaprogramowana” do ró

nicowania si

w neuroektoderm

potrzebuje jedynie raczej tylko niewielkiego bod

ca.

W ko

cu XX wieku ujawniono „molekularnych graczy” bior

cych udział w ró

nicowaniu si

układu nerwowego. Obraz tych zale

ci był zaskakuj

cy.

Komórki ektodermy w warunkach „normalnych” pod działaniem protein zwanych Bone
Morphogenetic Proteins (BMPs) staj

naskórkiem, natomiast BLOKOWANIE BMPs

prowadzi do „naturalnie zaprogramowanej („preprogrammed”) drogi w kierunku
neuroektodermalnym.

Podstawy ró

nicowania i rozwoju układu nerwowego

(tzw.

„default model”

potwierdzony

cho

nie do ko

m.in. w knock-out

zwierz

tach)

„Nerwowy organizator” działa poprzez uwalnianie (noggin, chordin, follistatin,

cerberus, nr3) -

czynników blokuj

cych białka BMP

Jednak knock-out-owe zarodki pozbawione np. noggin rozwijaj

układ nerwowy cho

znacznie

zredukowany..
Zapewne wi

c istniej

jeszcze inne czynniki blokuj

ce BMP i indukuj

ce układ nerwowy ??

W morfogenezie układu nerwowego graj

rol

równie

cadherins (ok. 80 typów molekuł

adhezyjnych ł

cych komórki posiadaj

ce te same typy molekuł a wewn

trzkomórkowo

zł

czone ze szkieletem aktynowym*)

*Mutacje czynników reguluj

cych polimeryzacje aktyny prowadz

do zaburze

rozwoju CSN

Ró

nicowanie si

komórek

Ró

nicowanie si

wzdłu

ró

nych osi opiera si

o GRADIENTY ró

nych molekuł

sygnalizacyjnych i detekcj

tych gradientów przez komórki.

1.Neurony wykazuj

ogromne ró

nice fenotypowe (np. por. pr

ciki siatkówki i kk Purkinjego)

2. „Zewn

trzni” i „wewn

trzni” (wen

trzneuronalni) „kontrolerzy” ró

nicowania neuronów

(=„

determinanty

”)

3. Zewn

trzni „kontrolerzy” to czynniki hormonalne i czynniki wzrostu oraz czynniki

„parakrynne” (z „s

siedztwa”). Działaj

poprzez receptory i system wtórnych przeka

ników

4. Wewn

trzni kontrolerzy ró

nicowania - zwłaszcza u bezkr

gowców dominuje „determinative

development” neuralnych progenitorów (determinacja wewn

trzna), w przeciwie

stwie do nich

u kr

gowców dominuje „regulowany” sposób ró

nicowania.

5. „Cartesian coordinate” genes (decyduj

o prawidłowym schemacie ró

nicowania wzdłu

osi

AP)

Determinanty wewn

trzne s

molekułami wytwarzanymi w komórce i przekazywanymi w

okre

lony niezmienny sposób do komórek potomnych

Ró

nicowanie si

komórek nerwowych na przykładzie rdzenia

„floor plate” jest wtórnym

ródłem „sonic hedgehog” = SHH (po strunie grzbietowej) a sama jest te

indukowana przez

SHH

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

40/113

W zale

ci od st

ęŜ

enia SHH s

wł

czane lub wył

czane geny szeregu tzw. homeodomain

protein (czynniki transkrypcyjne)
Tzw białka Klasy I (homeodomain protein np. Pax-6) s

zablokowane

dla okre

lonych st

ęŜ

SHH
Białka klasy II (np. Nkx-2.2) s

aktywowane

dla okre

lonych st

ęŜ

SHH.

Granice domen neuronalnych „zaostrza” krzy

owe blokowanie si

pomi

dzy obiema klasami

genów (analogicznie u drozofili działa „o

” ró

nicowania boczno-przy

rodkowa)

Podstawy ró

nicowania DV (brzuszno-grzbietowego)

Decyduj

sygnały ze struny grzbietowej (gradient Sonic hedgehog) (oraz BMP4 i BMP7 od

strony grzbietowej z ektodermy)
•Gdy tylko powstan

szcz

tkowe struktury OUN zaczyna si

proces generacji ró

nych populacji

komórek, który (poza szczególnymi wyj

tkami) ko

czy si

przed urodzeniem. Potem komórki

prekursorowe zanikaj

•Strefa okołokomorowa jest głównym obszarem generacji komórek prekursorowych (oblicza si

nawet 250 000 komórek powstaje w tej strefie w ka

dej minucie w okresie najwi

kszej fali generacji)

•W układach „warstwowych” mózgu, (kora mózgu, mó

ku, wzgórki górne) ka

da warstwa jest

generowana w okre

lonym czasie

•Komórki strefy okołokomorowej znakowane radioaktywn

tymin

w ró

nych okresach

ycia zarodka

zasiedlaj

ró

ne warstwy kory – najwcze

niej jest to tymczasowa tzw. strefa subplate (z której niektóre

prze

ywaj

w obr

bie istoty białej) oraz kom. Cajala-Retziusa (warstwa I)

Ró

nicowanie kk glejowych

nast

puje pó

niej

powstawanie pierwszych „neuroblastów”.

PDGF i NT-3 wydzielane przez astrocyty stymulują proliferację prekursorów oligodendrocytów

Ró

nicowanie si

komórek kory mózgowej

Asymetryczne podziały komórek okołokomorowej

strefy germinalnej powoduj

tworzenie si

neuronów z przeznaczeniem do zasiedlenia kory

(poprzez migracj

wzdłu

komórek gleju promienistego)

Najwcze

niej wygenerowane komórki zasiedlaj

gł

bsze warstwy a najpó

niej wygenerowane

zasiedlaj

powierzchowne

Z biegiem czasu progenitory tracą multipotencjalność w zasiedlaniu kory o czym świadczą eksperymenty
z przeszczepianiem

Migracja neuronów obwodowego SN do mózgu

Komórki LHRH (luteinizing hormone releasing

hormone) podwzgórza pochodz

z układu w

chowego.

to zatem komórki (neurony) mózgu pochodz

ce spoza niego!

Zaburzenie tej migracji prowadzi do tzw. zespołu Kallman’a (anosmia, hypogonadyzm,
niepłodno

ść

)

Neurogeneza i migracjaKomórki grzebieni nerwowych migruja w odległe miejsca tworz

obwodowy układ nerwowy (w tym zwoje układu sympatycznego i parasympatyczngo,
paraganglia, zwoje czuciowe w tym tak

e cz

ęś

ciowo nerwów czaszkowych, melanocyty,

komórki chromafinowe nadnerczy a tak

e chrz

stne elementy ko

ci czaszki !). •W migracji

rol

odgrywa interakcja ze składnikami macierzy pozakomórkowej (ECM) takimi jak

fibronektyna, laminina , kolagen
•W poł

czeniu z nimi po

redniczy

receptor integrynowy

na migruj

cych kk.grzebieni nerwowych

•(podanie przeciwciał przeciw temu receptorowi hamuje migracj

)

Jak „

ledzimy” komórki migruj

ce?•1. wszczepianie komórek znakowanych 3H-tymidyn

„nieoznakowanego” gospodarza (1963)
•2. tworzenie „chimer” poprzez wszczepianie fragmentu cewy i grzebieni z innego gatunku do innego
gatunku (gł ptaka np.. Przepiórki do zarodka kurcz

cia które ró

obrazem chromatyny j

drowej)

LeDouarin 1982
•J.w. ale komórki przepiórek s

znakowane specyficznymi przeciwciałami (dla przepiórek a nie dla

kurcz

•Choroba Hirschprunga

jest przykładem defektu migracji kk. grzebieni n. z odcinka „bł

dnego”.

•Prawdopodobnie nieprawidłowe ró

nicowanie si

lub uszkodzenie kom. grzebieni nerwowych

i ich pochodnych w obr

bie twarzoczaszki le

Ŝą

u podstaw zespołu Parry-Romberga

•Ró

nicowanie si

komórekLos komórek nerwowych zale

y (równie

) od tkanek docelowego

unerwienia, które wytwarzaj

czynniki troficzne dla neuronów i ich aksonówNp. Zmiana typu

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

41/113

transmitera w neuronach układu sympatycznego unerwiaj

cych gruczoły potowe z

noradrenaliny na acetylocholin

pod wpływem dojrzewania gruczołów potowych (szczur)

Jak rosn

aksony i jak znajduj

drog

do celu

Aksonogeneza i synaptogeneza oraz tworzenie obwodów neuronalnych

„Uzbrajanie” terenu pod budow

jest niezale

ne od tego co tam ma by

zbudowane.

Podobnie aksony docieraj

w „strefy działek budowlanych” gdy jeszcze niewiele tam si

dzieje”
Ramon y Cajal po raz pierwszy u

ył nazwy „sto

ek wzrostu” aksonu i przypuszczał,

wykonuje ruchy ameboidalne.
Sto

ek wzrostu tworzy liczne cienki „mikrokolce” (filipodia) promieniuj

ce w ró

ne strony.

Wła

ciwe poł

czenie aksonu z jego docelow

komórk

(struktur

) realizowane jest w sposób w

którym mo

na wyró

2 fazy. (Goodman i Shatz 1993)

Wzrost aksonu („kierunek”) jest cz

ęś

ciowo zaprogramowany

Doświadczenie z 1980r W zarodku kurczęcia segmenty T7-LS3 zostały odwrócone w fazie S15-16 (przed
wypuszczaniem aksonów) a mimo to aksony motoneuronów „kierują się” do tych samych mięśni.

Są więc jakby zaprogramowane do swych celów.

W latach 60-tych XX w Roger Sperry wysun

ł hipotez

„chemoaffinity” w oparciu o

eksperymenty na nerwie i układzie wzrokowym

ab i ryb. Sperry zaobserwował,

e nawet po

odci

ciu i „przekr

ceniu” oka u

aby aksony komórek zwojowych siatkówki docierały do

prawdiłowego miejsca w tectum. (zob dalej o tych eksperymentach)
Wzrost aksonu kierowany jest równie

przez „wskazówki” zewn

trzne, które mo

na podzieli

na działaj

ce na du

e dystanse (Long-range cues) i na krótkie (short-range cues). W ka

dej

klasie tych czynników s

zarówno „przyci

gaj

ce” jak i „odpychaj

ce”. Jednak te podziały w

praktyce s

wybitnie „zamazane”.

Wszystkie te czynniki działa

mog

jednocze

nie w ka

dym z odcinków-etapów wzrostu

aksonu (czyli zarówno „popychanie jak i przyci

ganie”).

Badania lat 90-tych umo

liwiły identyfikacj

4 rodzin molekuł sygnalizacyjnych bior

cych

udział w nakierowywaniu aksonów:
S

to :

SEMAFORYNY,
NETRYNY,
SLITS ,
EFRYNY
Ponadto inne molekuły najprawdopodobniej równie

bior

udział w kierowaniu wzrostem

aksonów
S

to najprawdopodobniej:

CAMs (cell adhesion molecule)
składniki pozakomórkowej macierzy,
cadherins,
fosfatazy transbłonowe.
Wyznaczanie drogi dla aksonu to wspólna gra czynnika zewn

trznego i stopnia nasilenia

ekspresji receptora dla tego czynnika (czynników)
Np..

Efryny

i ich receptory w poł

czeniach siatkówka-tectum, oraz białka

SLIT

i ich receptory

Robo

w neuronach komisuralnych rdzenia

[Czynnik(f)] x [receptor(dla-f)] = efekt

SEMAFORYNY:

W wi

kszo

ci „odpychaj

”

aksony ale jednoznaczna aktywno

ść

wielu z nich nie jest jeszcze

ustalona!!!. (mog

zapewne równie

„przyci

” dendryty w korze co zale

y od poziomu

cGMP w komórce).
7 klas u kr

gowców (ogółem ok.20 białek)

Z wyj

tkiem klasy 3 receptorami semaforyn s

spokrewnione z nimi białka nazwane

pleksynami

Klasa 3 obejmuje semaforyny wydzielane, pozostałe s

białkami transbłonowymi (dział

krótkodystansowo). Receptorami dla klasy 3 s

neuropiliny

(które wi

ąŜą

równie

pleksynami)
Semaforyna 3A została odkryta w 1993 r jako substancja „odpychaj

ca” w hodowli aksonów

czuciowych. Wpływa nie tylko na wzrost aksonu ale równie

dendrytów.

Polleux i wsp. w 1998r stwierdzili istotna rol

semaforyny 3A w pierwotnym ró

nicowaniu si

komórki piramidalnej kory (tj w tworzeniu aksonu, który zmierza „wgł

b” i dendrytu, który

kieruje si

ku pia mater). Ich eksperymenty wykazały,

strefa brze

na (marginal zone) pod

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

42/113

opon

wydziela semaforyn

3A, co powoduje „uciekanie” aksonów w przeciwnym kierunku a

jednocze

nie działa jako „atraktant” dla dendrytów („apikalnych

NETRYNY:

sekrecyjne białka

– (u kr

gowców zidentyfikowano ok. 6 białek). Pierwsze odkryto w

rdzeniu kr

gowym; maja

działanie przyci

gaj

ce aksony

, ale netryna-1 działa jednocze

nie „od

tyłu odpychaj

co” (ich homologi odkryto te

w Caenorhabditis elegans i Drosophila m.)

Receptorami dla netryn s

białka z rodziny DCC (wszystkie s

pokrewne zarówno u kr

gowców

jak i bezkr

gowców). Netryny działaj

na du

e odległo

ci ale równie

i na małe.

SLITS: s

to du

sekrecyjne

(wydzielane) proteiny; u ssaków poznano 3 typy maj

działanie

odpychaj

aksony w przodomózgowiu; (s

o drozofili i Caenorhabditis e.) ; efekt

odpychaj

cy slits jest „mediowany” przez receptory, którymi s

białka z rodziny

Robo

(które

wraz z DCC i UNC5 nale

Ŝą

do nadrodziny immunoglobulin). Slits sa tak

e regulatorami

(pozytywnymi) rozgał

ziania aksonów i dendrytów)

EFRYNY: s

rodzina molekuł powierzchniowych komórek, dziel

na dwie grupy: A i B,

równie

ich receptory dziel

na klasy A i B. Ich role stwierdzono m.in. W tworzeniu

precyzyjnych topograficznych projekcji ł

cych komórki zwojowe siatkówki z ciałem

kolankowatym bocznym u kr

gowców.

Molekuły kieruj

ce wpływaj

na sto

ki wzrostu aksonów.

Wypuszczanie licznych filipodiów w ró

nych kierunkach jest „naturaln

” (wewn

trzn

) cech

prawidłowego sto

ka. Gdy jeden z filipodiów uzyskuje stabilny kontakt i zwi

zek z okre

lona struktur

nast

puje retrakcja tych filipodiów, które nie uzyskały „kontaktu”

Molekuły „sygnalizacyjne” wpływaj

na proces polimeryzacji aktyny, który wspomaga „wysuwanie si

”

filipodiów.

Aktyna de i repolimeryzuje si

przesuwaj

c czoło aksonu.

Za aktyną „następuje” polimeryzacja mikrotubul.

Semaforyny, netryny, slits, efryny wpływają na proces de i polimeryzacji aktyny w stoŜku wzrostu.

SEMAFORYNY, NETRYNY, SLITS ,EFRYNY aktywuj

c swoje receptory po

rednio lub

bezpo

rednio wpływaj

na aktywno

ść

GTP-az z rodziny Rho

(np.. Rac lub RhoA), które

odgrywaj

kluczow

rol

jako regulatory polimeryzacji aktyny.

Aksony ł

ce odległe cele w organizmie wykształcaj

jak najwcze

niej, póki zarodek jest

niedu

y. Niekiedy docieraj

do miejsc przeznaczenia wcze

niej ni

narz

d (struktura) z któr

maj

poł

czy

osi

ła wła

ciwy stopie

dojrzało

ci (i niemo

liwe jest powstanie

funkcjonalnych poł

cze

Aksony wykazuj

niekiedy objawy „powstrzymywania si

” i oczekiwania na dojrzewanie ich

celu. Np. takie zjawisko obserwuje si

w tworzeniu drogi w

chowej. Aksony oczekuj

opuszk

chow

kilka dni aby odpowiednio si

wykształciła i wtedy nast

puje „inwazja”

aksonów z nabłonka w

chowego do opuszki w

chowej.

Wykazano,

e w przypadku nieprawidłowego receptora dla semaforyn (neuropilin-1) aksony

chowe nie czekaj

na uformowanie opuszki w

chowej i „przerastaj

” w kierunku CSN nie

tworz

c odpowiednich poł

cze

z opuszk

(Renzi i wsp 2000).

U kr

gowców interneurony komisuralne w rozwijaj

cym si

rdzeniu wysyłaj

aksony

„zwabiane” do brzusznej cz

ęś

ci rdzenia przez wytwarzane tam netryny (ich receptorami s

białka z rodziny DCC obecne na aksonach) ale aksony te nie ko

w tej strefie poniewa

przekraczaj

lini

rodkow

i „zakr

caj

” o 900 i zmierzaj

do innych poziomów rdzenia.

wkroczeniu do linii środkowej

następuje silna ekspresja receptora Robo

(receptora dla Slits) w aksonach a

jednocześnie utrata reakcji na netrynę.

Komórki strefy środkowej produkują oprócz netryny równieŜ semaforyny i białka typu slit. Teraz okolica
środkowa rdzenia staje się „odpychająca” dla aksonów. Ponadto receptor Robo wiąŜe się z DCC
„wyciszając” reaktywność aksonów na netrynę.

Selekcja docelowych narz

dów które maj

unerwionePoznanie mechanizmów dzi

którym neurony rozpoznaj

i unerwiaj

ich docelowe narz

dy jest jednym z głównych zada

neurobiologii.
Istotne etapy – zagadnienia tego procesu
1)„przecieranie

cie

ki” przez wzrastaj

cy akson

2)„delayed interstitial axon branching”

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

43/113

1)Badania wzrostu aksonów neuronów projekcyjnych V-warstwy kory wskazuj

powstawanie odgał

zie

do j

der mostu ju

po przej

ciu sto

ka wzrostu aksonu (istnienie

chemoatraktantów)
2)Liczne przykłady wskazuj

na „

ródmi

ąŜ

szowe rozgał

zianie si

” aksonów jako na

zasadniczy pierwotny mechanizm „selekcji celu” unerwiania
3)Proces eliminacji „niefunkcjonalnych” kolaterali aksonalnych (ale niekoniecznie neuronów)
np. w corpus callosum („wiosenne przycinanie drzewek...”). „Przycinane” kolaterale lub cz

ęś

aksonu nie s

„bł

dami” ale raczej planowym zaprogramowanym procesem!

Przeszczepiane neurony V warstwy wysyłaj

aksony zgodnie z nowym miejscem do którego

zostały przeszczepione (np. z kory wzrokowej V do ruchowej M)

(szczur)

Eksperyment Sperry’ego z przeci

ciem nerwu wzrokowego

aby i przekr

ceniem oka o 180O i

umo

liwieniem ponownego wrostu aksonów z komórek zwojowych siatkówki do tectum

opticum –

aba zachowywała si

jakby widziała „

wiat przekr

cony” i nie uzyskano

adnego efektu

treningu.
WNIOSEK: regeneruj

ce aksony tworzyły identyczny wzorzec poł

cze

w tectum.

Istniej

gradienty molekuł „kieruj

cych” oraz odpowiednie wzorce receptorów aksonalnych

Modelowy układ eksperymentalny Bonhoffer’a:
Aksony skroniowych cz

ęś

ci siatkówki s

„odpychane” przez ephriny (A2, A5) i pod

ąŜ

drog

wzdłu

pasków z tectum pozbawionych ephryn

Trajektoria wzrostu aksonu dzieli si

na krótkie odcinki (przypuszczalnie po ok. kilkaset

mikrometrów)

Zale

ść

„troficzna” neuronu i komórki docelowej

•Odci

cie zawi

zków nogi w zarodku kurzym

powoduje brak wykształcenia motoneuronów dla nieistniej

cej nogi

•W

yciu zarodkowym kr

gowców powstaje nawet 3 razy wi

cej neuronów postmitotycznych ni

prze

ywa ostatecznie – te które nie tworz

prawidłowych poł

cze

eliminowane („si

eliminuj

”)

Kompetytywne mechanizmy redukcji polineuronalno

ci – „przegrywaj

cy” akson „odpada”

•Eksperymenty z usuwaniem lub dodawanie zawi

zków nogi pokazuj

e liczba neuronów nie jest

„zaprogramowana” (np.. Genetycznie) ale,

e mo

e by

(i jest) modyfikowana przez interakcj

innymi („docelowymi”?) komórkami
•„Nadmiarowe” (w przypadku usuni

cia zawi

zka ko

czyny) neurony gin

poniewa

nie otrzymały

troficznego „wsparcia” ze strony komórek docelowych (w tym przypadku mi

ęś

niowych).

•Mo

na st

d wysnu

wniosek,

e neurony musz

„walczy

” o co

(czynnik troficzny), co zapewne nie

wyst

puje w nadmiarze i st

d mo

na mówi

o „kompetytywnych interakcjach” w tworzeniu poł

cze

neuronów.
•Prawdopodobnie te kompetytywne interakcje mog

tłumaczy

mechanizm redukcji „nadmiarowego”

unerwienia np. włókien mi

ęś

niowych (komórka mi

ęś

niowa pierwotnie unerwiana jest przez wiele

neuronów), które u ssaków jest redukowane tuz po urodzeniu. W efekcie dana komórka mi

ęś

niowa

jest unerwiona ostatecznie tylko przez jeden neuron (jakkolwiek jeden neuron mo

e unerwia

wiele

komórek mi

ęś

niowych)

•Jest to nie tyle eliminacja synaps ile raczej redukcja poł

cze

aksonalnych od ró

nych neuronów:

•Blokowanie przewodnictwa nerwowego przeciwdziała tej redukcji „polineuronalno

ci” unerwienia

•Nie znamy jednak mechanizmów w jaki sposób funkcjonalne („elektryczne”) poł

czenie neuronu

stymuluje wytwarzanie czynnika troficznego

Neurony s

zale

ne od utworzenia prawidłowego kontaktu synaptycznego z komórk

(komórkami) docelowymi.
„Czynniki troficzne” (neurotroficzne) wytwarzane przez komórki docelowe s

konieczne dla utworzenia

i utrzymania kontaktu oraz dla prze

ycia neuronu!

Czynniki neurotroficzne decyduj

o stopniu rozwoju drzewa dendrytycznego oraz o

konwergencji i

dywergencji

poł

cze

•Neurotrofiny: czynniki wytwarzane przez neurony i nieneuronalne komórki docelowe –
–odpowiedzialne s

za 3 typy odpowiedzi: prze

ycie/

mier

komórki, stabilizacja/eliminacja synaps,

wzrost/retrakcja wypustek komórek nerwowych
•Rodzina neurotrofin:
–NGF (nerve growth factor): odkryty w latach 50-tych, obfity w

liniankach myszy

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

44/113

–BDNF (brain derived neurotrophic factor): odkryty w latach 80-tych,
–Neurotrophin-3 (NT-3) (lata 90-te)
–Neurotrophin-4/5 (NT-4/5)

NGF (nerve growth factor):•NGF odgrywa rol

troficzn

w przypadku narz

dów docelowych

unerwianych przez neurony układu sympatycznego oraz cz

ęś

ci zwojowych neuronów czuciowych –

prawdopodobnie nie gra roli w OUN
•NGF stał si

modelem czynnika neurotroficznego: a) W w/w neuronach brak sygnału NGF (ze strony

komórki docelowej) prowadzi do

mierci neuronu, b) nadmiar NGF prowadzi do prze

ycia zwi

kszonej

ilo

ci neuronów (zale

nych od NGF), c) aksony wykazuj

obecno

ść

receptora dla NGF, d) komórki

docelowe wytwarzaj

NGF.

•NGF nie jest molekuł

le bior

c sekrecyjn

(?) (a zatem zapewne w warunkach fizjologicznych

nie ma działania chemotropowego) i oddziałuje jedynie na aksony wchodz

ce w kontakt z komórkami

docelowymi
•Eksperymenty demonstruj

ce działanie NGF de facto jako czynnika chemotropowego –

dyfunduj

cego w medium hodowli komórkowej (nast

pny slajd) prawdopodobnie nie oddaj

całkowicie

rzeczywistej roli NGF w fizjologii
Po zł

czeniu z NFG nast

puje wzajemna fosforylacja obu podjednostek receptora TrkA

•Neurotrofiny działaj

poprzez receptory typu kinazy tyrozynowej (Poszczególne neurotrofiny ró

dzy sob

punktem działania oraz podtypem receptora Trk

–NGF - TrkA
–BDNF - TrkB
–Neurotrophin-3 (NT-3) - TrkC
–Neurotrophin-4/5 (NT-4/5) – TrkB

Czy aktywno

ść

neuronalna odgrywa rol

w formowaniu si

„mapy” poł

cze

siatkówkowo-

tektalnych?
Wydaje si

e raczej tak ale nie PIERWSZORZ

Liczne eksperymenty z blokowaniem przewodnictwa nerwowego w okresie formowania si

tych poł

cze

nie miały wi

kszego wpływu na tworzenie ich charakterystycznych układów!

Np. przeszczepianie oczu aksolotla do traszki kalifornijskiej (endogennie produkuj

cej

tetrodotoksyn

TTX blokuj

kanały sodowe) dało prawidłowy układ poł

cze

pomimo

„uciszenia” aksonów RGC (komórek zwojowych siatkówki) przez TTX.
Podobnie nie zaobserwowano wpływu blokerów NMDA na tworzenie poł

cze

Jak do celu (wła

ciwego mi

ęś

nia) trafiaja aksony motoneuronów rdzenia

Aksony

nakierowywane s

przez ró

ne układy molekuł „sygnalizacyjnych”.

Przeszczepione motoneurony były w stanie prawidłowo dotrze

do odpowiednich mi

ęś

ni.

Sygnały „nakierowuj

ce” NIE POCHODZ

OD MI

ĘŚ

NI!

Bardzo wa

rol

najprawdopodobniej pełni

komórki mezenchymalne w strefach gdzie

tworz

sploty nerwowe.

Istotn

rol

odgrywa ephrin-A (receptory Eph-A4 sa na aksonach)

Synaptogeneza – zł

cze nerwowo-mi

ęś

niowe

Najlepiej poznana w tym zł

czu m.in. dzi

łatwo

ci eksperymentów z manipulacj

i regeneracj

tego zł

cza, obfito

analogicznych

struktur organu elektrycznego morskiej płaszczki Torpedo
Od kontaktu aksonu z miotub

do utworzenia funkcjonalnej synapsy wystarczy by

nawet mniej ni

godziny

W pełni dojrzałe zł

cze tworzy si

(u ssaków) dopiero po kilku tygodniach.

Motoneurony INDUKUJ

ró

nicowanie struktur postsynaptycznych (na podstawie eksp. Z

hodowl

)

Synaptyczna basal lamina (wyspecjalizowana cz

ęść

basal lamina) zawiera elementy

sygnalizacyjne zarówno do tworzenia

struktur

pre jak i postsynaptycznych

Indukcja zmian postsynaptycznych poprzez układ sygnalizacyjny, którego jednymi z
najistotniejszych elementów s

białka:

AGRIN i MuSK

Agrin

indukuje fosforylacj

MuSK

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

45/113

AGRIN jest wytwarzana w motoneuronach.
MuSK jest mi

ęś

niowym receptorem o wła

ciwo

ciach kinazy tyrozynowej

Myszy bez agrin jak i bez MuSK nie wytwarzaj

synaps i gin

natychmiast po urodzeniu (nie

ruszaj

i nie oddychaj

)

U takich myszy aksony dochodz

do włókien mi

ęś

niowych ale bezcelowo przerastaj

sie

nie tworz

c synaps !

Musi istnie

system zwrotny od mi

ęś

nia do aksonu „powiadamiaj

cy” o utworzeniu

funkcjonalnego kontaktu i zatrzymuj

cy wzrost aksonu oraz powoduj

cy utworzenie struktur

presynaptycznych.

Agrin

– białko motoneuronów (ok. 200-kDa bardzo wiele izoform) kluczowe w indukcji struktur

postsynaptycznych

Szereg dowodów (m.in. blokowanie p-ciałem) wskazuje

sekrecja agryny z zako

czenia

aksonu powoduje skupianie si

receptorów AChR oraz szeregu innych białek (AChE, Rapsyn,

ęś

niowa Neuregulin NRG-1 i jej receptorów oraz białek ErbB)

(hipoteza alternatywna): S

jednak dowody,

e nawet bez Agrin miotuby agreguj

AChR i

prawdopodobnie Agrin konieczna jest raczej do UTRZYMANIA ni

samej indukcji klasteryzacji

AChR
Agrin podawana zewn

trznie nie powoduje wzrostu ekspresji AChR

Agrin

prawdopodobnie reguluje ekspresj

NRG-1 i jego receptorów i „doprecyzowuje” budow

synapsy.

Synaptogeneza – przed inerwacj

…

Najnowsze badania wskazuj

e ograniczone do miejsca

przyszłej synapsy i zlokalizowane tworzenie potrzebnych białek (w tym receptora) we włóknie
mi

ęś

niowym nie wymaga obecno

ci aksonów!

(„mięśnie same wiedzą gdzie chcą mieć

przyłączenie kabla...)

i prawdopodobnie same „przygotowują” to miejsce.”)

„Mięsień gorączkowo przygotowuje się na nadejście Pana Aksona…”

Synaptogeneza – po inerwacji

(„zjawił się nerwowo zachowujący się Pan Akson wraz towarzyszącą mu Agryną”)

Agryna utrzymuje

stymulacj

syntezy AChR a aktywno

ść

elektryczna aksonu najprawdopodobnie „wycisza”

ekspresj

AChR w całej reszcie włókna mi

ęś

niowego.

Unerwienie (poprzez agrynę) zawęŜa strefę receptorów (AChR) i blokuje syntezę receptorów w innych
miejscach

Niewiele wiadomo natomiast o mechanizmach formowania si

postsynaptycznej cz

ęś

ci aparatu

synaptycznego w CSN, np. jak neurony nakierowuj

odpowiednie receptory do błon

postsynaptycznych

„Uzbrajanie” terenu pod budow

jest niezale

ne od tego co tam ma by

zbudowane. Podobnie

aksony docieraj

w „strefy działek budowlanych” gdy jeszcze niewiele tam si

dzieje”

Plan „budynku” zawiera miejsca „przył

czenia kabla aksonalnego” i zgodnie z „planem” te

miejsca s

tworzone w budowanym obiekcie.

Podobnie strefy przyszłych synaps tworz

bez udziału aksonów.

Gdy dochodzi do wła

ciwego „podł

czenia” nast

puj

procesy „dostrojenia” aparatury

odbiorczej i nauki wła

ciwego u

ytkowania „internetu”...

Zmiany progresywne w embriogenezie układu nerwowego •Proliferacja komórek
•Migracja
•Ró

nicowanie

•Rozrost aksonów i dendrytów
•Synaptogeneza
•Plastyczno

ść

synaptyczna

Regresywne zmiany w embriogenezie układu nerwowego•Eliminacja aksonów
•Eliminacja synaps
•Eliminacja neuronów

Eliminacja synaps

Tzw. „input elimination” – eliminacja aksonów unerwiaj

cych komórki

docelowe
Nieznane jest nasilenie procesu eliminacji synaps w rozwijaj

cym si

CSN u zarodka

REDUKCJA DYWERGENCJI AKSONALNEJ

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

46/113

Przykłady eliminacji pourodzeniowej synaps u ssaków:
1)Kora wzrokowa (w. IV) z dwuocznego na jednooczne unerwienie (małpa, kot, fretka)

2)Ciało kolankowate boczne: z 2-ocznego na 1-oczne oraz z ponad 20 aksonów siatkówkowych
(>20/1) na 1-2/1 (Cheng i Regehr 2000) w 1 miesi

cu! (ale pozostałe aksony s

znacznie

skuteczniejsze)

3)KK Purkinjego z ponad 3 wł.pn

cych/1kom.Purk. na 1wł/1kom.Purk. włókno pn

ce (climbing

f.) [(z 3/1) na 1/1)]
4)Zwoje sympatyczne szyjne z ok. 14 przedzwojowych aksonów na ok. 7

(ale WZRASTA

LICZBA SYNAPS !)

5)Zł

cze nerwowo-mi

ęś

niowe: z 2-6 aksonów na włókno do 1 aksonu z jednego motoneuronu

(na włókno).

Eliminacja synaps: REDUKCJA DYWERGENCJI AKSONALNEJ

Raczej

nie jest to „naprawa bł

dów”

ale „wyostrzanie specyficzno

ci” i dokładno

ci „map

topograficznych poł

cze

”

Zjawisko eliminacji synaps istnieje niezale

nie (?) od „przycinania” rozgał

zie

aksonów.

Eliminacja synaps

likwiduje

„nadmiarowo

ść

” neuronów (redundancy)*

(unerwienia) i np. w

przypadku mi

ęś

ni pozwala na precyzyjniejsz

regulacj

siły (napi

cia) poprzez rekrutacj

dodatkowych jednostek motorycznych.
Bezkr

gowce nie wykazuj

„nadmiarowo

ci” unerwienia i co za tym idzie procesu eliminacji

synaps. W rezultacie ich aktywno

ść

jest znacznie bardziej zaprogramowana (zakodowana)

wewn

trznie w przeciwie

stwie do ssaków które wymagaj

„zewn

trznych” bod

ców (po

prostu „nauki”) – por. natychmiastowy lot przepoczwarzonej wa

ki i długi proces uczenia si

chodzenia, (tak

e do pewnego stopnia latania ptaków ...)

Synapsy s

eliminowane w systemie „kompetytywnym” (?) (znaczenie słowa „kompetytywny”

jest bardzo szerokie, oznacza tu po prostu,

e z „kilku” zostaje jeden)

Nie ma jak si

wydaje

adnych reguł ani stereotypowo

ci w wynikach tej „rywalizacji” (efekt nie

jest np. genetycznie zaprogramowany).
Eliminacja synaps w korze wzrokowej podobnie jak w zł

czach nerwowo-mi

ęś

niowych jest

mechanizmem kompetytywnym realizowanym poprzez aktywno

ść

oka (siatkówki) i

motoneuronów.
Proponowane jest istnienie „sygnałów karnych” (oraz „sygnałów ochronnych”) wewn

trz

komórek docelowych (unerwianych) prowadz

cych do eliminacji synaps pobudzanych

niesynchronicznie. Eliminacja synaps prowadzi do retrakcji aksonu lub jego rozgał

zienia.

Kompetytywna eliminacja synaps wyst

puje w całej drodze wzrokowej.

Efektem eliminacji synaps jest powstawanie map retinotopowych na poziomie tectum opticum i
w korze u kr

gowców odwzorowuj

cych obrazy. Neurony kory wzrokowej aktywowane ka

dym

okiem tworz

charakterystyczny

paskowaty wzór „dominacji ocznej”

(pasek wyznacza neurony aktywowane lewym lub prawym okiem)

(A)Kolumny

dominacji ocznej

u małpy widoczne po podaniu do jednego oka znakowanej 3H proliny

transportowanej do kory wzrokowej wzdłuŜ aksonów (jasne paski z oka nastrzyknietego) -

paski są takiej

samej szerokości

(B) Po zablokowaniu (przez zszycie powiek) jednego oka od 2 tyg. po urodzeniu przez 18 miesięcy
następuje obkurczenie się kolumn wraz z ekspansją kolumn z drugiego oka. –

paski są róŜnej szerokości

1) Istnieje

„okres krytyczny”

w którym zablokowanie oka zmienia szeroko

ść

kolumn dominacji.

2) Je

li zablokujemy równie

oko z niezaszytymi powiekami przez wstrzykni

cie

tetrodotoksyny (blokada całkowita aktywno

ci siatkówki wł

cznie z blokad

aktywno

spontanicznej, nie wymagaj

cej stymulacji

wiatłem) reakcja kory „przesunie si

” w kierunku

oka z zaszytymi powiekami ale w którym zachowana jest spontaniczna aktywno

ść

neuronalna !

3) Równie

li zaszyjemy oba oczy powstan

kolumny dominacji ale

gdy do obu podamy TTX

(tetrodotoxin np. z traszki kalifornijskiej lub puffer fish)

wtedy kolumny nie powstan

4) Nawet bez stymulacji

wietlnej niedojrzał

siatkówka emituje spontaniczn

aktywno

ść

sposób, który pozwala na tworzenie „mapy” poł

cze

z kor

wzrokow

(pobudzenia kk

zwojowych wyst

puj

w postaci „fali” rozprzestrzeniaj

cej si

w siatkówce) a „fale” z obu oczu

praktycznie nigdy nie s

synchroniczne.

Dalsze doprecyzowanie poł

cze

projekcyjnych drogi wzrokowej nast

puje pod wpływem

bod

ców wzrokowych.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

47/113

Mapy wzrokowe mo

na wytworzy

w obszarach słuchowych je

li skierowa

tam drog

wzrokow

W gryzoni istnieje dokładna mapa korowa reprezentuj

ca poszczególne „wibrysy” czyli „w

sy”

w postaci tzw. barrels (jednostek funkcjonalnych w korze mózgowej).

Postembrionalna modyfikacja układów neuronalnych i synaps –
„okresy krytyczne”

Plastyczno

ść

„dojrzałych” synaps i obwodów neuronalnych

Krótkotrwała plastyczno

ść

synaptyczna

Facylitacja

(ułatwienie): osi

ga szczyt w ok. 1 sek i potem szybko zanika. Wystarczy jeden

potencjał i nast

pny jest wi

kszy (je

li jest w ci

gu ok. sek.).

Augmentacja

: wolniejsze w czasie nasilaj

ce si

powi

kszanie PSP

Potencjacja

(wzmocnienie po długiej „t

ęŜ

cowej” stymulacji ): w niektórych synapsach trwaj

wiele minut podwy

szenie PSP.

Wszystkie w/w zjawiska tłumaczy si

kumuluj

cym si

wzrostem st

ęŜ

enia Ca2+

Depresja

: w niektórych synapsach (przeciwie

stwo facylitacji)

Depresja mo

e by

skutkiem spadku ilo

ci p

cherzyków, deaktywacji miejsca uwalniania N-T

lub istnienia hamuj

cych autoreceptorów. Ponadto mo

e wynika

z tzw.

desensytyzacji

receptora

Mechanizmy LTP (Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne) LTD (długotrwałe
osłabienie synaptyczne)

Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne = (Long-term potentiation = LTP)Bliss i Lomo 1973
LTP jest to trwały wzrost potencjału postsynaptycznego (EPSP), który mo

e by

indukowany w

sposób szybki poprzez gwałtowne wyładowanie potencjałów czynno

ciowych (spike activity)

we włóknach aferentnych (presynaptycznych). Przypuszcza si

e LTP jest elementem

mechanizmów pami

ci i uczenia si

Postulat Donalda Hebba: „Cells that fire together, wire together”

Warunki dla LTP:
1)Napływ Ca2+
2)Jednoczesna depolaryzacja

Najwa

niejszym mechanizmem LTP jest prawdopodobnie wzrost liczby AMPA-R

Współdziałanie –(Cooperativity)
Specyficzno

ść

ze wzgl

du na „wej

cie” - (Input specificity)

– LTP dotyczy tylko synapsy stymulowanej

Asocjacyjno

ść

(Associativity)

– gdy jednoczasowo stymulowane obie synapsy LTP powstaje w obu z nich –

prawdopodobnie jest to podło

warunkowania

asocjatywnego (klasycznego)

•Koincydencja (w „okienku” czasowym do 100 ms) depolaryzacji neuronu CA1 i pojedynczej stymulacji
kolaterali Schaffera wystarczy do wytworzenia LTP (przypomnie

postulat Donalda Hebb’a)

•LTD oraz LTP mog

wzajemnie znosi

(likwidowa

)

LTD: Long-term depression

Powstaje w wyniku długotrwałej stymulacji o niskiej

frekwencji (np. 1Hz przez 10min.)
Zadaniem LTD mo

e by

likwidacja LTP

e by

mediowana przez NMDA oraz inne receptory (np. metabotropowe mGluR)

Przykład:
•LTD na synapsie k.Purkinjego z włóknem równoległym (paralel fiber)

LTD w mó

•W przeciwie

stwie do LTD w hipokampie nie bierze udziału receptor NMDA

(nieobecny w kk.Purkinjego) ale efekt (internalizacja AMPAR) jest ten sam.

Indukcja LTD wymaga jednoczesnego napływu Ca2+ do kom.Pur. z cf (przez VD-Ca-Kanały)
oraz aktywacji mGluR1 na synapsach pf z komórkami Purkinjego
PKC fosforyluje AMPAR i powoduje zmniejszenie wra

liwo

ci AMPAR

LTD na komórkach Purkinjego wywołuje dysinhibicj

poniewa

w efekcie „hamowane s

hamuj

ce” komórki Purkinjego

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

48/113

Czucie somatyczne

Układy czucia somatosensorycznego:
dwie „zasady”:

modalno

ść

(„typy” czucia a

do kory czuciowej s

reprezentowane

przez osobne szlaki)
i

somatotopia

•Typy receptorów czucia somatycznego:
–Mechanoreceptory
–Receptory bólu (nocyceptory)
–Receptory ciepła (termoreceptory)
•Receptory czucia somatycznego z uwagi na morfologi

dziel

na:

–Wolne
•Wolne zako

czenia nerwowe (ból, temperatura)

–Otorebkowane
•Niezale

nie od typu wszystkie receptory czucia somatycznego funkcjonuj

na podobnej zasadzie:

bodziec zmienia przepuszczalno

ść

jonow

receptora co prowadzi do powstania „potencjału

receptora”. Potencjał receptora mo

e prowadzi

do potencjału czynno

ciowego

•„Jako

ść

” czucia („rodzaj”) zale

y od typu pobudzanego receptora i umiejscowienia jego o

rodka w

CSN
•„Siła” bod

ca jest kodowana w postaci cz

stotliwo

ci potencjałów czynno

ciowych powstaj

cych w

receptorze
••Zale

ść

siła/cz

sto

ść

P.cz. nie jest prosta i ró

na jest w ró

nych receptorach.

•Z uwagi na typ zale

ci dzielimy receptory (a zarazem tworz

ce je neurony) na

–szybko adaptuj

ce si

(„fazowe”)

•Rejestruj

dynamiczne zmiany bod

ca (jego zmienno

ść

)

–wolno adaptuj

ce si

(„toniczne”)

•Rejestruj

statyczne cechy bod

ca (jego trwało

ść

)

•Podział typów włókien z lat 20-30tych XXw!
•A (najwi

ksze i najszybsze) – B (po

rednie) i C najmniejsze i najwolniejsze

–S

podgrupy :

•Z kolei aferentne włókna mi

ęś

niowe dziela si

na I (najszybsze), II, III (po

rednie) i IV (najwolniejsze)

–S

dodatkowe podgrupy (a, b)

•To co odczuwamy zale

y nie tylko od tego które i jak silnie s

pobudzane receptory ale od czynników

regulowanych z poziomu CSN (nie zauwa

amy ubrania, ew. tylko gdy chcemy lub gdy to jest

potrzebne)
•Aktywne („badawcze”) dotykanie prawdopodobnie daje inne (nieco) odpowiedzi neuronalne
o

rodkowego neuronu czuciowego ni

w przypadku „biernej” stymulacji

•Pola recepcyjne zmieniaj

w czasie działania bod

•Wniosek:
•W przeciwie

stwie do klasycznych („statycznych”) pogl

dów na temat pól recepcyjnych obecnie

wiemy,

e maj

one charakter dynamiczny.

•Mechanoreceptory odpowiedzialne za „propriocepcj

” (głównie pozycja ko

czyn i ciała)

–Wrzeciona mi

ęś

niowe

–Narz

dy Golgiego

–Receptory stawowe
––Ponadto:
–(pozycja głowy jest ustalana poprzez organ przedsionkowy)
–(jeszcze inne mechanoreceptory b

ce cz

ęś

trzewnego układu ruchowego sa obecne w sercu i

naczyniach – detekcja rozci

gni

cia naczy

)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

49/113

•Czuciowa somatosensoryczna kora drugiego rz

du (SII) otrzymuje konwerguj

ce sygnały z kory SI i

wysyła aksony do hipokampa i c.migdałowatego
•UWAGA! Kora czuciowa wysyła bardzo liczne aksony (wi

cej ni

ich „otrzymuje”!) w kierunku

wzgórza, pnia i rdzenia (zapewne słu

y to modyfikacji odczuwania bod

ców poprzez wpływ na o

rodki

sze dróg czucia)

•Reorganizacja pól recepcyjnych czucia somatycznego, wzroku, słuchu (oraz ruchowych) na skutek
zablokowania lub dozna

czuciowych lub (odwrotnie) nadmiernej stymulacji

Po amputacji palca 3 s

siaduj

ce pola recepcyjne „przejmuj

” obszar amputowanego palca

•Silne u

ywanie palców 2 i 3 powoduje poszerzenie pól recepcyjnych dla tych palców

•Na skutek ataku padaczki powstaj

ce zmiany zwiazane z plastyczno

synaptyczn

(np..LTP)

mog

trwale jeszcze bardziej zaburza

obwody neuronalne

•Tzw kindling

polega na powtarzanej słabej stymulacji c.migdałowatych u szczura nie prowadz

cej

pocz

tkowo do drgawek a po pewnym czasie doprowadza do sytuacji,

e ten sam słaby impuls

wywołuje uogólnione drgawki. Efekt ten jest trwały nawet przez ponad rok.

•

•CZUCIE BÓLU

•Receptorami bólu (nocyceptorami) oraz temperatury (termoreceptory) s

wolne (u

ywa si

okre

lenia „nagie” ang. bare) zako

czenia nerwowe (neuronów zwojów korzonków grzbietowych i

zwoju n.V, a tak

e n. VII, n.IX, n.X). Wolne zako

czenia umo

liwiaj

dost

p substancjom

chemicznym, które równie

wywołuj

uczucia bólowe. Neurotransmiterem aferentów bólowych jest

Glutaminian i subst.P.
••Termoreceptory: Wolne zako

czenia nerwowe b

ce niebólowymi receptorami temperatury

–Receptory wra

liwe na zimno (przewodzenie „szybkie” włóknami A

)

–Receptory wra

liwe na ciepło (przewodzenie „wolne” włóknami C)

•Termoreceptory wskazuj

głównie zmiany temperatury a słabo warto

ci bezwzgl

dne (przykład z

trzymaniem jednej r

ki w zimnej a drugiej w ciepłej wodzie i nast

pnie wło

enie obu r

k do tej samej

„letniej” wody)
••Nocyceptory znajduj

w skórze oraz w narz

dach wewn

trznych

••Dwie szybko

ci przewodzenia bólu:

–20m/sek (włókna A

; tzw. „pierwszy ból” – o charakterze ostrym

–2m/sek (włókna C, tzw.”drugi ból”- doznania polimodalne o charakterze t

pym, piek

cym)

••Trzy typy receptorów bólu (nocyceptorów) w skórze
–A

mechanosensytywne (tak

e A

mechanotermiczne)

–Polimodalne (poprzez włókna C) – bod

ce mechaniczne, termiczne i chemiczne

•Pola recepcyjne „bólowych” neuronów korowych s

relatywnie du

Doznanie bólu nie jest „ilo

ciowym” wariantem innych dozna

mechanicznych i termicznych

ale zupełnie osobn

jako

(modalno

) zwi

zan

z osobnymi włóknami i drogami.

•Wolne zako

czenia nerwowe (b

ce receptorami bólowymi w znaczeniu „neurofizjologicznym”)

posiadaj

receptory (w znaczeniu „molekularnym”) wra

liwe na ró

ne substancje chemiczne.

•Najsilniejszym sygnałem bod

ca bólowego charakteryzuje si

polipeptyd bradykinina

•Dobrze poznano grup

receptorów b

cych kanałami jonowymi dla Na i Ca (gdy s

aktywne

wpuszczaj

te jony co prowadzi do generacji P.cz.) nazwanych:

–vanilloid receptor VR-1 (= transient receptor potential TRPV-1) obecny we włóknach A

i C;

aktywowany przez capsaicyn

(z papryki chili) i temperatur

450. (nic dziwnego,

e papryk

odczuwamy jak co

gor

cego…!) Prawdopodobnie podobnie jak w przypadku endogennych opiatów

istniej

endogenne substancje – „endovanilloidy” odgrywaj

ce rol

w reakcji bólowej w odpowiedzi na

uszkodzenie tkanki. Receptor VR-1 jest równie

aktywowany przez kwas (H+) i anandamid

(endokanabinoid).
–vanilloid-like receptor VRL-1 (=TRPV-2) obecny we włóknach A

; aktywowany przez temperatur

520 i niewra

liwy na capsaicyn

A co z zimnem ?
•Podgrupa receptorów typu Transient Receptor Potential (TRP) b

cych kanałami jonowymi

aktywowanymi przez temperatur

(thermoTRP) odgrywa istotna rol

w recepcji temperatury oraz bólu.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

50/113

•Cztery z nich (TRPV1-4), aktywowane s

ciepłem (

ąŜ

do indukcji bólu) natomiast receptory TRPM8 i

TRPA1 aktywowane s

„przyjemnym chłodem” jak równie

„bolesnym zimnem”

•ThermoTRP s

chemosensytywne (ró

ne substancje ro

linne i endogenne mediatory zapalne).

•TRPM8, „minty-cool ion channel”
•TRP s

obecne w neuronach zwojów korzonków grzbietowych (myszy).

•Receptor „mentolowo-chłodny” CMR1 (od CoolMintR1) = (TRPM8), aktywowany jest progow

temperatur

~28°C, a aktywowane pr

dy wzrastaj

przy spadku temperatury a

do 8°C obejmuj

zarówno nieszkodliwe jak i nieprzyjemne-uszkadzaj

ce temperatury.

•Receptory TRPA1 (aktywowane tak

e substancjami takimi jak allyl isothiocyanate (w musztardzie),

cinnamaldehyde (cynamon) wyst

puj

razem z receptorami „ciepła” TRPV1 na tych samych

zako

czeniach nerwowych.

•Natomiast receptory „chłodu-i-mentolu” TRPM8 wyst

puj

na oddzielnych zako

czeniach

nerwowych.

Kapsaicyna wywołuje pieczenie skóry ale stosowana przewlekle powoduje desensytyzacj

zako

cze

nerwowych i blokad

uwalniania substancji P i VIP i w efekcie działa przeciwbólowo.

•Zarówno zwykłe obserwacje jak i badania eksperymentalne wskazuj

na ogromna rol

czynników

„pozaobiektywnych” na odczuwanie bólu.
•Uszkodzenie czuciowej ciemieniowej kory somatosensorycznej nie znosi (odczucia) bólu chocia

upo

ledza inne mechano-sensoryczne „modalno

ci” czuciowe (po drugiej stronie ciała).

Ból wywołuje aktywacj

bardzo wielu o

rodków.

Wraz ze wzrostem nasilenia bólu wi

cej okolic mózgu staje si

aktywnych.

•Mo

na zatem wyró

dwie komponenty dozna

bólowych.

•Dwie „komponenty” dozna

bólowych:

•1) czuciowo-dyskryminatywna
–Koduj

ca lokalizacj

, intensywno

ść

i jako

ść

bod

–„realizowana” przez „klasyczne” drogi i o

rodki bólu

•2) afektywno (emocjonalno)-motywacyjna
–Decyduj

ca o stopniu „nieprzyjemno

ci” bólu i aspekcie emocjonalnym

–„realizowana” przez osobne szlaki obejmuj

ce kor

(przedni zakr

t obr

czy, wyspa i pie

mózgu

(n.parabrachialis)
–Do j

der parabrachialnych docieraja aksony z neuronów blaszki I Rexeda rdzenia natomiast

pozostałe aksony drogi bólu-temperatury pochodz

z neuronów blaszki.V rdzenia (nastepuje to

rozdzielenie dwóch aspektów doznania bólowego: dyskryminatywnego i emocjonalnego)
–N.parabrachialis wysyła aksony do c.migdałowatego i podwzgórza („o

rodki” emocji i motywacji) oraz

do substancji szarej okołowodoci

gowej, która odgrywa rol

w kontroli aktywno

ci szlaków bólu

Substancja szara okołowodociagowa:
O

rodek kontroli aktywno

ci dróg bólowych

•Hyperalgezja: nadwra

liwo

ść

na ból w okolicy, w której wyst

puje uszkodzenie tkanki (np. wzrost

wra

liwo

ci na temperatur

w strefie oparzenia słonecznego)

•Wyst

puje w takim miejscu obwodowe uwra

liwienie na temperatur

i ból spowodowane

oddziaływaniem na receptory bólu i temperatury czynników obecnych w „zupie zapalnej” (produkty
uszkodzenia tkanki takie jak H+, metabolity lipidów, prostaglandyny, nukleotydy, bradykinina,
histamina, serotonina, NGF wszystkie oddziałuj

na wolne zako

czenia nerwowe i ich receptorowe

kanały jonowe wzmagaj

c ich odpowiedzi).

•Ponadto zako

czenia nerwowe wydzielaj

calcitonine-gene-related peptide (CGRP) i substancj

oraz ATP oddziałuj

ce na naczynia (poszerzenie) i na mastocyty oraz neutrofile.

•Prostaglandyny obni

próg pobudliwo

ci zako

czenia nerwowego (st

d m.in. efekt przeciwbólowy

niesterydowych leków przeciwzapalnych które hamuj

COX), jednocze

nie w podobny sposób

oddziałuj

na neurony rogów tylnych rdzenia.

•O

rodkowe mechanizmy nadwra

liwo

ci na bod

ce bólowe i termiczne:

•Wzrost pobudliwo

ci neuronów rogów tylnych na skutek uprzedniej aktywno

ci aferentnych nerwów

„bólowo-termicznych”

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

51/113

•Wzrost pobudliwo

ci „uogólnia si

” na inne (niebólowe) bod

ce z mechanoreceptorów i w efekcie

uprzedniego silnego bod

ca bólowego nast

pne (w normalnych warunkach) niebólowe dra

nienie

powoduje ból – co nazywamy ALLODYNI

•Uszkodzenie tkanki dotycz

ce równie

zako

cze

nerwowych prowadzi do ich przetrwałej

nadwra

liwo

ci i do tzw. BÓLU NEUROPATYCZNEGO (skrajnie dokuczliwego i bardzo opornego na

leczenie)

•Współczesne pogl

dy na ból zwracaj

uwag

na fakt,

e ból jest zjawiskiem zło

onym i nie jest

ograniczony do prostej stymulacji receptorów „bólowych”. Mo

na powiedzie

e raczej „boli mózg” ni

konkretny narz

d…?

•Neuronalna modulacja bólu
–Zst

puj

ce drogi do korzeni tylnych rdzenia (oraz n.tr.spinalis n.V)

•Teoria „bramkowa” bólu (Ronald Melzack, Patrick Wall 1965)- zakłada,

e ból podlega modulacji

zarówno na poziomie rdzenia (np. aktywacja mechanoreceptorów przez „pocieranie” łagodzi ostry ból)
jak i pod wpływem impulsów pochodz

cych z mózgu

•Transmisja informacji z pierwotnych aferentów do wtórnych neuronów w rdzeniu i wy

ej, podlega

modulacji („bramkowaniu”). W rdzeniu miejscem „bramkowania” jest substantia gelatinosa
•Typy bramkowania:
1. Lokalne – (rdzeniowe, odcinkowe)
2. Rozlane – drogi zst

puj

ce z pnia mózgu.

Toria bramkowania zakłada,

e ból jest funkcj

równowagi mi

dzy informacj

dochodz

do rdzenia

przez du

e i małe włókna nerwowe. Je

li przewa

a impulsacja z du

ych nie ma bólu, je

li z małych

ne metody np. elektrostymulacji jako

rodka przeciwbólowego oparte s

ne tej teorii.

•Efekt PLACEBO
–Mo

e by

„dawkozale

ny”!

–mo

e by

likwidowany przez nalokson! (nie jest czysto „psychiczny”)

–Wskazuje to te

e nie chodzi tu o likwidowanie „wyobra

onego” (udawanego?) bólu.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

52/113

SŁUCH

Kodowanie siły (amplitudy d

ku) w nerwie słuchowych.

Wraz ze wzrostem amplitudy d

ku, wzrasta cz

stotliwo

ść

potencjałów czynno

ciowych we

włóknie nerwowym nerwu słuchowego (dla charakterystycznej cz

stotliwo

ci) a

do saturacji.

Włókna maj

ró

stotliwo

ść

spontanicznej aktywno

ci.

"low spontaneous rates” saturacja wolna- koduj

sił

dla gło

niejszych d

ków

„High spontaneous rate” saturacja szybka – koduj

dla cichszych d

ków.

Kazde włókno w nerwie słuchowym posiada swoja tzw chrakaterystyczn

stotliwo

ść

(characteristic

frequency – CF) – jest to taka cz

stotliwo

ść

drga

fali d

kowej dla której potrzebna jest minimalna

energia aby stymulowa

potencjały czynno

ciowe ww włóknie . Z reguły jest to ta sama lub zblizona

stotliwo

ść

do cz

stotliwo

ci rezonansowej tej cz

ęś

ci błony podstawnej narz

du Cortiego od której

odchodzi dane włókno nerwu słuchowego

Pitagorejskie pojmowanie muzyki (i

wiata)

•Odkrycie matematycznych zwi

zków mi

dzy tonami muzycznymi oraz d

ku jako cyklicznej

oscylacji
•Interwały muzyczne definiowane jako relacje długo

ci struny i zarazem cz

stotliwo

ci drgania

(fundamentalnego): oktawa – 2:1, kwinta – 3:2, kwarta – 4:3
•Tony o relatywnych cz

stotliwo

ciach 1:2 postrzegane s

jako podobne = „takie same” (oktawy) ALE

DLACZEGO ???
•Dlaczego niektóre interwały postrzegamy jako dysonanse (zwykle budz

ce uczucie „napi

cia”) a

niektóre jako konsonanse („przyjemne”)?

••Schwartz, Howe i Purves (2003 J Neurosci 32:7160-7168) uwa

e natura tonalno

ci jest

pochodn

głównych (dominuj

cych) cz

stotliwo

ci wyst

puj

cych w mowie człowieka a muzyka jest

e „ubocznym” efektem doskonalenia recepcji mowy (w tym jej emocjonalnego jak te

czysto

zykowego-informatycznego znaczenia)

•Wytrawny muzyk mo

e rozró

ró

nic

1 Hz pomi

dzy tonem 1000 Hz i 1001 Hz

•Potrafimy rozró

brzmienie poszczególnych instrumentów w orkestrze a dyrygent potrafi wskaza

drobne bł

dy intonacji

•Zmysł słuchu jest przykładem mechanorecepcji której zadaniem jest detekcja i postrzeganie
(rozumienie) d

ków oraz rozpoznawanie ich

ródła (kierunku sk

d dochodz

)

•Podobnie jak w przypadku organu przedsionkowego (oraz linii bocznej ryb) detektorami s

wyspecjalizowane komórki nabłonkowe (neuronalne?)– tzw. komórki włoskowate

Organ słuchu ma wspólne cechy funkcjonalne i ewolucyjne podobie

stwa z innymi systemami

mechanorecepcyjnymi takimi jak organ przedsionkowy (równowagi) i układ linii bocznej u ryb
poniewa

wszystkie te narz

dy u

ywaj

tego samego typu komórek recepcyjnych :

tzw.

Komórek włoskowatych

i we wszystkich tych narz

dach bodziec odbierany powoduje

odkształcenie rz

sek komórek włoskowatych (stereociliów) jednak w odró

nieniu od

pozostałych narz

dów mechanorecepcyjnych w narz

dzie słuchu komórki recepcyjne s

wra

liwe na d

k. U zwierz

t „naziemnych” receptorowe komórki włoskowate pozostały w

rodowisku „wodnym” (kanały

limaka).

•D

k jest no

nikiem bardzo wielu cz

sto kluczowych dla prze

ycia osobnika informacji

•Z uwagi na jego cechy fizyczne (interferencja, dyfrakcja, refrakcja) i brak „pierwotnej mapy
przestrzennej” wydobycie (odkodowanie) informacji zawartej w fali d

kowej wymaga bardzo

zło

onych mechanizmów.

•Realizowane s

one na wielu pi

trach OUN – dlatego „droga” słuchowa jest najbardziej

skomplikowanym szlakiem ze wszystkich szlaków czuciowych.

•D

k to

podłu

oscylacja (fala) ci

nienia powietrza o cz

stotliwo

ci si

gaj

cych wielu

tysi

cy Hz.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

53/113

v = f

Intensywno

ść

ku = I okre

lona jest przez W (moc) podzielon

przez powierzchni

A :I =

W/A

li przyjmiemy punktow

emisj

ku (fala rozchodzi si

w postaci kulistej wtedy

powierzchni

w relacji do promienia opisuje równanie:

A = 4

r 2

Podstawiaj

c do powy

szego wzoru

I = W/4

r 2 st

d wiemy,

Intensywno

ść

ku zmniejsza si

z kwadratem odległo

Z kolei (przy braku absorbcji) amplituda ci

nienia fal d

kowych (proporcjonalna do

pierwiastka kw. z intensywno

ci) zmniejsza si

odwrotnie proporcjonalnie do promienia

(odległo

ci) czyli do 1/r.

Czuło

ść

ga od 0 dB (komar z odl. 3m)

do 120 (próg bólu, gwizd lokomotywy z odl. 1m))

•Słuch człowieka wra

liwy jest na ogromny zakres cz

stotliwo

ci: od ok. 20Hz do 20 000 Hz

(najwra

liwszy w zakresie 1-4 kHz)* Wi

kszo

ść

energii d

kowej zawartej w ludzkiej mowie

jest przenoszona w zakresie cz

stotliwo

ci od 0,25 kHz do 3 kHz.

•Potencjały receptorowe komórek włoskowatych s

przekształcane i kodowane w potencjały

czynno

ciowe nerwu słuchowego. W mózgu poprzez m.in. Ró

nic

w dotarciu d

ku do

jednego i drugiego ucha (rz

du 30-10

s !!) nast

puje lokalizowanie kierunku, z którego

dochodzi d

•* U nietoperzy próg zaczyna si

od 20 kHz a ko

czy na 200 kHz

•Słuch jest najbardziej wra

liwy w zakresie cz

stotliwo

ci około 3 kHz (takie cz

stotliwo

równie

działaj

silnie uszkadzaj

co!)

Amplituda ci

nienia d

ku wyra

ana jest w skali logarytmicznej (decybele dB) z uwagi m.in.

Na ogromn

skal

słyszalnych ró

nic ci

nienia (od 0 dB do uszkadzaj

cych i wywołuj

cych ból

120 dB). Przy progu słyszalno

ci (0dB) ruch drobin powietrza wynosi zaledwie ok. 0,01

nanometra !!! (trylionowa cz

ęść

Wata / m2)

Na całkowicie „bezd

cznej” planecie oznaczałoby to,

ródło d

ku mocy 1 Wata i

stotliwo

ci 3 kHz mogłoby by

słyszalne z odległo

ci 450 km !

Ucho reaguje logarytmicznie na zmiany siły d

ku.

Obwodowy narz

d słuchu składa si

z ucha zewn

trznego,

rodkowego i wewn

trznego.

Ucho zewn

trzne: mał

owina i zewn. kanał słuchowy.

pozwala poprzez wpływ na przepływaj

fal

kow

na lokalizacj

ródła nawet

przy słyszeniu jednousznym - szczeg. lokalizacj

wysoko

ci z której dochodzi d

(konstrukcja ucha zewn

trznego powoduje,

e składowe wysokiej cz

stotliwo

ci d

ków s

lepiej przewodzone je

li ich

ródło jest wy

ej)

Tzw. nie-liniowo

ść

zachowania ucha wewn

trznego

1. Podwojenie siły fali oddziałuj

cej na błone podstawn

narz

du Cortiego nie daje podwojenia

wyładowa

w nerwie słuchowym (“output” jest mniej ni

podwojony – tzw saturating non-

linearity).
2. Dodanie drugiego tonu ró

cego si

stotliwo

obni

a odpowied

na pierwszy ton -

tzw Two-tone suppression)
3. Zagranie dwóch tonów np. 1000 i 1200 Hz spowoduje odczucie trzeciego tonu (w tym
przypadku o cz

stotliwo

ci 800 Hz) -tzw Cubic Difference Tone.

WZMOCNIENIE FALI GŁOSOWEJ W UCHU

RODKOWYM

Ucho

rodkowe: pozwala na silne wzmocnienie fali d

kowej poprzez system kostek

(młoteczek, kowadełko, strzemi

czko) i przeniesienie fali ze

rodowiska powietrznego na

wodne

limaka (normalnie d

k raczej odbija si

od powierzchni wody). Wzmocnienie

ku nast

puje m.in. poniewa

błona b

benkowa ma powierzchni

35 razy wi

ksz

okienko owalne, do którego przylega strzemi

czko (daje to w przybli

eniu ten sam

współczynnik wzrostu ci

nienia.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

54/113

Zysk ci

nienia wynosi ok. 25-30 dB w zakresie po

rednich cz

stotliwo

ci (ponad to co byłoby

gdyby fala d

kowa powietrza bezpo

rednio docierała do okienka owalnego

limaka).

TYPY GŁUCHOTY

Głuchota przewodz

ca (conductive hearing loss)zazwyczaj polega na procesie tzw.

„otosklerozy”, który powoduje zrastanie strzemi

czka z ko

wokół okienka owalnego

(leczenie: - „stapedectomia”)
Głuchota czuciowo-nerwowa (sensorineurial hearing loss) jest spowodowana uszkodzeniem
nerwu słuchowego lub komórek włosowatych ucha wewn

trznego. (Test Webera z

kamertonem)

•W

limaku nast

puje dekompozycja d

ku na sinusoidalne komponenty z zachowaniem

stotliwo

ci, amplitudy i fazy

•Tonotopia : ró

nice wra

liwo

ci na poszczególne cz

stotliwo

ci w zale

ci od miejsca wzdłu

przebiegu

limaka. Zale

ść

ta („separacja” cz

stotliwo

ci) jest utrzymywana w przebiegu

centralnych szlaków słuchowych w mózgu

Kluczowe centralne neuronalne elementy uczestnicz

ce w analizie słuchu

•(Zwój spiralny

limaka – cz

ęść

obwodowa)

•J

dro

limaka (grzbietowe, przedniobrzuszne i tylnobrzuszne), z którego sygnał rozdziela si

kierunku szeregu struktur mózgowia
•Superior olivary complex (interakcja z druga stron

umo

liwiaj

ca lokalizacj

ku)

•J

dro wst

gi bocznej (n. lemniscus lateralis)

•Wzgórki dolne

ródmózgowia (kontakt z układem motorycznym!)

•Wzgórze (medial geniculate complex)
•Kora mózgowa

limak

jest wła

ciwym organem czuciowym układu słuchowego.

•Koncepcja Bekesy zakłada jak gdyby istnienie licznych rezonatorów (dla ró

nych cz

stotliwo

ci)

wzdłu

limaka („filtruj

cych” poszczególne cz

stotliwo

ci)

MECHANORECEPTORY: Wewn

trzne i zewn

trzne KOMÓRKI WŁOSKOWATE

Wewn

trze komórki włosowate stanowi

zasadniczy mechanoreceptor odbiorczy fal

kowych.

Synapsa na zł

czu komórki włosowatej i aksonu obwodowego neuronu

zwoju spiralnego

limaka - transmiter: najprawdopodobniej Glu

Synapsa ta

adaptuje

(ubytek neurotransmitera) i jest te

odpowiedzialna za tzw.

maskowanie

recepcji d

•Czy komórka włosowata mo

e by

uznana za rodzaj neuronu?

–Za: Tworzy synaps

(a tak

e jest postsynaptyczna)

–Przeciw: Nie wytwarza jednak potencja
łów czynno

ciowych •

Zmiany potencjału receptorowego w kierunku hyperpolaryzacji s

znacznie mniejsze ni

w kierunku

depolaryzacji
Wychylenie tylko w jednej osi powoduje zmiany potencjału receptora

Wysokie st

ęŜ

enie potasu w endolimfie na skutek jego wydzielania przez stria vascularis. (kwas

etakrynowy jest ototoksyczny poniewa

uszkadza wydzielaj

ce potas komórki stria vascularis)

•Oscylacyjne zmiany potencjału receptorowego potrafi

dokładnie powiela

przebieg pobudzenia

mechanoreceptora przez fal

kow

do cz

stotliwo

ci 3kHz (u człowieka)

•„Stała czasowa” receptora (RC time constant) powoduje zmniejszanie amplitudy waha

potencjału

receptorowego wraz ze wzrostem cz

stotliw

•Przy stymulacji powy

ej 3 kHz zanika komponenta zmienna (a.c.) ale dalej utrzymuje si

komponenta

depolaryzacyjna (d.c.) potencjału receptorowego („rektyfikacja”) co pozwala na dalsze uwalnianie
neurotransmitera.

ROLA ZEWN

TRZNYCH KOMÓREK WŁOSOWATYCH

Teoria Bekesy’ego nie wystarcza do wyja

nienia mechanizmu wysoce selektywnego rozkładu

zło

onej fali d

kowej na składowe o ró

nych cz

stotliwo

ciach

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

55/113

U ssaków mechanizm amplifikacji wra

liwo

ci na d

ki jest zwi

zany z wła

ciwo

ciami

„elektromotorycznymi”

zewn

trznych komórek włosowatych

limaka

(zmiana długo

ci w

wyniku zmian napi

cia elektrycznego) w czym gra rol

białko zwane PRESTIN.

Myszy knock-outowe pozbawione genu prestyny maj

podwy

szony próg wra

liwo

ci (a

heterozygotyczne dla prestyny maj

redni próg). Uszkodzenie zewn

trznych kom.

włosowatych osłabia czuło

ść

narz

du Cortiego zarówno na „sił

” jak i na cz

stotliwo

ść

drga

Rola CHLORU
Prestyna reaguje na wewn

trzkomórkowe zmiany Cl-.

Zewn

trzne komórki włoskowate (Outer hair cells) s

„nabytkiem” ssaków i pozwalaj

na 100x

(40dB) podwy

szenie wra

liwo

ci na d

ki wysokiej cz

stotliwo

W szczególno

ci ZKW zwi

kszaj

rozró

nianie poszczególnych składowych cz

stotliwo

ci co

ma ogromne znaczenie w rozpoznawaniu mowy.

ROLA ZEWN

TRZNYCH KOMÓREK WŁOSOWATYCH (ZKW) c.d.

Komórki te (ZKW) pod wpływem dra

nienia mechanicznego (odkształcenie włosków)

wytwarzaj

potencjał receptorowy (podobnie jak komórki włosowate wewn

trzne) który

jednocze

nie oddziałuje na ich długo

ść

Oscylacje ZKW wzmacniaj

drgania błony podstawnej co prowadzi do efektu „wzmacniacza

limakowego” a ponadto powoduje tzw.

otoacustic emissions

- emisje otoakustyczne (David

Kemp 1978) propagowane wstecznie do błony b

benkowej. Emisje otoakustyczne mog

samoistne (u 1/3 ludzi) lub wywoływane (w kilka do kilkudziesi

ciu milisekund po krótkim

ku).

Uwa

ano je za „echo

limakowe” ale ich energia jest wi

ksza ni

ku stymulujacego

Emisje otoakustyczne s

wykorzystywane w diagnostyce skriningowej słuchu (zanikaj

przy

utracie ponad 30 dB) oraz słuchu u noworodków.

najprawdopodobniej przyczyn

powstawania tzw. tonów Tartiniego.

Nie s

natgomiast przyczyn

„dzwonienia” w uszach (tinnitus), którego przyczyna tkwi

najprawdopodobniej w OUN.

Tony kombinacyjne („tony Tartiniego”):

„Dodatkowe” tony („distortion products”, „intermodulation products”) pojawiaj

ce si

na skutek tzw.

nieliniowo

ucha wewn

trznego w czasie wspólnego brzmienia dwóch

ró

nych (konsonansowych?) tonów o cz

stotliwo

ciach f1 and f2 i których cz

stotliwo

ść

jest

sum

lub ró

nic

stotliwo

ci dwóch tonów „wywołuj

cych”

f= m f1 ± n f2

(m, n - liczby całkowite)

W szczeg. f=2f1 - f2 jest całkiem słyszalny

Tony kombinacyjne („tony Tartiniego”):
Zazwyczaj słyszalne s

tony ró

nicowe (najlepiej 2f1-f2)

(sumacyjne s

prawdopodobnie maskowane?)

Tony Shepard’a/Risset’a

Shepard wymy

lił w 1964 roku układ emituj

cy d

k składaj

cy si

z samych

„harmonicznych” składowych (oktawy), z powodu czego ucho nie jest w stanie dokładnie
okre

wysoko

ci d

ku („fundamentalnej” składowej) i w efekcie d

k je

li powtarzany

odbierany jest jako pseudo wzrastaj

cy a je

li jest stały ma si

wra

enie „syrenowego

glissanda” o pseudowzrastaj

cej wysoko

ci d

ku (Risset).

Unerwienie eferentne n.Cortiego

pochodzi z kompleksu j

der górnej oliwki

(medial Olivary Complex OC unerwia oba ucha)
Lateral OC prawie wył

cznie to

stronne)

Aferentne unerwienie n.Cortiego

przez obwodowe aksony (niektórzy nazywaj

je dendrytami)

dwóch typów neuronów w zwoju spiralnym

limaka (aksony centralne tworz

nerw słuchowy).

Typ I neuronu – unerwia komórki włosowate wewn

trzne (wł. zmielinizowane) w relacji 1:1

komórki włosowate wewn

trzne (KWW)

Typ II neuronu - unerwia komórki włosowate zewn

trzne (KWZ) (wł.bezmielinowe – wolne

przewodzenie) w relacji 1:5-100
Centralne aksony neuronów Typu I stanowi

95% (ok.. 30 000 u człowieka) włókien

n.słuchowego! i to one stanowi

główny przekaz informacji do mózgu. (5% aksony neuronów

Typu II)
Rola aferentnego unerwienia KWZ (zewn

trznych) nie jest poznana (same komórki WZ

odgrywaj

rol

„wzmacniacza” ale w relacji do KWW)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

56/113

NERW SŁUCHOWY

Selektywna wra

liwo

ść

poszczególnych włókien nerwowych otrzymuj

cych impulsacj

wewn

trznych komórek włosowatych, oceniana w postaci tzw. krzywej strojenia (tuning curve)

Tuning curve tip (cz

stotliwo

ść

charakterystyczna włókna, dla której włókno jest najbardziej

wra

liwe) jest najprawdopodobniej wynikiem działania zewn

trznych komórek włosowatych

silnie wzmacniaj

cych selektywno

ść

stotliwo

ciow

włókien nerwu słuchowego

•

Phase-locking – odwzorowanie fazy drgania

•Odwzorowanie fazy drgania – phase locking (=fazy potencjału receptorowego) w cz

sto

„spikes” (potencjałów czynno

ciowych) w nerwie słuchowym (odst

py czasu pomi

dzy

„spikes” s

równe okresowi drga

fali (lub jej całkowitym wielokrotno

ciom)

•Phase-locking jest wierne dla ni

szych cz

stotliwo

ci (<3kHz). Powy

ej 3kHz kapacytacja

komórek włosowatych powoduje zanikanie phase-locking.

Znaczenie neuronów górnej oliwki

(tzw. olivocochlear neurons OC-neurons) w adaptacji do silnych d

ków oraz „wyostrzaniu”

słuchu (nast

pny slajd)

Funkcja relacji cz

sto

ci „wyładowa

” do siły d

ku (sound pressure level) we włóknie

nerwu słuchowego (Rate-level function) w zale

ci od obecno

ci lub braku jednoczesnej

stymulacji neuronów górnej oliwki (tzw. olivocochlear neurons OC-neurons)

Aktywno

ść

OC-neuronów powoduje „przestrojenie” włókien nerwu słuchowego do d

ku o

szym nasileniu

Ponadto

stymulacja OC obni

a odpowied

na szum ale podwy

sza na bodziec

(Jest to tzw.

antimasking czyli w gruncie rzeczy „wyostrzanie” słuchu )

Zasada „tonotopii” na całej długo

ci dróg słuchowych

Główne morfologiczne typy neuronów j

der

limakowych oraz odpowiadaj

ce im

charakterystyczne histogramy ich wyładowa

(potencjałów czynno

ciowych) nast

puj

cych

po stymulacji d

kiem (post-stimulus time = PST)

Zró

nicowanie wskazuje na ró

nice funkcji pomi

dzy komórkami w analizie ró

nych aspektów

perceptu d

kowego

Najwi

ksze synapsy w mózgu zwi

zane s

z przewodzeniem słuchu

„Spherical bushy cells” daj

najlepsze „powielenie” impulsacji z nerwu słuchowego dzi

olbrzymim poł

czeniom synaptycznym – tzw. „endbulbs of Held” . Równie

inne olbrzymie

synapsy (tzw. Kielichy – calyces) s

obecnie w drodze słuchowej (na neuronach medial

nucleus of trapezoid body)

•

Eferentne unerwienie ucha:

–komórki włosowate: otrzymuj

eferentne unerwienie z neuronów j

der oliwki górnej OC (omówiono

poprzednio)
– mi

ęś

nie ucha wewn

trznego unerwione ruchowo:

•(m.stapedius – n.VII, m.tensor tympani – n.V)
•Mi

ęś

nie te s

unerwione przez motoneurony w relacji 1:1 (jak mi

ęś

nie okoruchowe –

b.precyzyjnie)

•Skurcz mi

ęś

ni powoduje zmniejszenie przewodzenia w zakresie niskich cz

stotliwo

ci (<1kHz)

o 25 dB (inaczej ni

kom. OC)

•Efektem jest ochrona narz

du słuchu oraz lepsze rozumienie mowy. Z kolei ich skurcz w

czasie mówienia mo

e hamowa

odpowiedzi na d

ki własne osobnika (skurcz w czasie

mówienia).
–Unerwienie sympatyczne (autonomiczne) naczy

krwiono

nych ucha. (mało poznane - osobi

cie

uwa

am,

e mo

e mie

znaczenie w „strojeniu” słuchu w sytuacjach emocjonalnych, stresowych itp..

??)
•

Rozpoznawanie kierunku

ródła d

–1. mi

dzyuszna ró

nica czasu (Interaural Time Difference)

•Dla ni

szych cz

stotliwo

ci dzi

ki odwzorowaniu fazy drga

ró

nica fazy drgania

pomi

dzy jednym i

drugim uchem mo

e by

wykorzystana do rozpoznawania kierunku

ródła d

ku jednak dla

szych cz

stotliwo

ci musz

yte inne metody

–2. mi

dzyuszna ró

nica nat

ęŜ

enia (Interaural Level Difference)

•Wykorzystywana dla wysokich cz

stotliwo

Dla (minimalnie rozpoznawanej) ró

nicy kierunku

ródła

ku wynosz

cej ok. 1 stopnia odpowiednie ró

nice wynosz

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

57/113

różnica czasu = 10 mikrosekund

różnica natężenia = 1 dB

•Wzgórki dolne –

•Miejsce integracji informacji z j

der

limakowych jak i górnej oliwki (dane o kierunku)

••prawdopodobnie miejsce tworzenia „mapy przestrzennej d

ku” (podobnie jak w

przypadku wzgórków górnych tworz

cych map

wzrokow

)

•Ciało kolankowate przy

rodkowe (medial geniculate)

•Przynajmniej cz

ęś

ciowo zorganizowane tonotopowo

•Ma poł

czenia z c.migdałowatym (wykorzystywane w warunkowaniu reakcji strachu na bod

kowe)

•Otrzymuje bardzo silne poł

czenia ze strony kory słuchowej !

•Proste sygnały (w tym szum)

aktywuj

pierwotn

kor

słuchow

lecz nie kor

wtórn

, natomiast mowa aktywuje kor

wtórn

•Cz

ęść

kory (Pole AI) posiada neurony wra

liwe na ró

nice czasowe i intensywno

ci d

(pozwalaj

ce na lokalizacje

ródła)

•Ciało migdałowate nadaje znaczenie emocjonalne bod

com czuciowym (w tym słuchowym).

Neuroproteinopatie neurodegeneracje

W poszukiwaniu jednolitej teorii neurodegeneracji.
Rola patologicznych białek w patogenezie schorzeń zwyrodnieniowych ośrodkowego
układu nerwowego

Stanley B. Prusiner laureat Nagrody Nobla za odkrycie prionów twierdzi, Ŝe schorzenia
neurodegeneracyjne są chorobami wywołanymi przez nieprawidłowe mechanizmy przetwarzania
(„processing”) białek.

Mechanizmy te obejmują

nieprawidłowe składanie białek w struktury przestrzenne (Misfoilding)
nieprawidłowe modyfikacje potranslacyjne
nieprawidłowe rozcinanie protein (cleavage)
nieprawidłowe składanie białek (splicing)
nieprawidłowa ekspresja
zmniejszone fizjologiczne procesy niszczenia białek

Prusiner i inni zwracają uwagę na to, Ŝe wszystkie schorzenia neurodegeneracyjne mają postacie
sporadyczne (zwykle najczęstsze spośród przypadków danego typu choroby) oraz rodzinne (genetyczne) w
większości schorzeń rzadkie ( z wyjątkiem HD i ataksji rdzeniowo-móŜdŜkowych, w których występują
praktycznie wyłącznie przypadki genetycznie uwarunkowane - rodzinne)

Wspólnym mianownikiem neurodegeneracji są depozyty róŜnych białek ale powstaje pytanie: czy te
agregacje są per se patologiczne (czy są pierwotną i rzeczywistą przyczyną neurodegeneracji) czy teŜ są
przejawem sekwestracji białek, których usuwanie z komórki jest niewydolne (np. przez mechanizmy
związane z proteasomem 26S) ?

Nie stwierdzono jednoznacznych korelacji między ilością depozytów i cięŜkością choroby.
Agregacaje tworzą często bardzo róŜne mieszaniny białek.
Agregacje występują u osób bezobjawowych

Za przyczynową rolą depozytów białkowych przemawiają badania genetyczne.

Przypadki rodzinne neurodegeneracji
Mutacje w genach kodujących agregujące białka są genetycznie związane z rodzinnymi postaciami chorób
neurodegeneracyjnych (AD, ALS, TSE) powodują wcześniejsze pojawienie się objawów choroby i cięŜszy
przebieg niŜ w przypadkach sporadycznych.

Modele zwierzęce

Transgeniczne myszy, które wykazują nadekspresję zmutowanego ludzkiego APP wytwarzają typowe

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

58/113

zmiany dla AD (morphologicznie depozyty amyloidowe i „kliniczne” objawy zaburzeń kognitywnych)
[Games i wsp 1995].
Podobnie jest w przypadku transgenicznych myszy z ludzkim dzikim typem genu

αα

-synucleiny, które

wykazują kliniczno-patologiczne zmiany (nie wszystkie) typowe dla PD (ciałka Lewy’ego, ubytek
dopaminergicznych zakończeń w zwojach podstawy i zaburzenia ruchowe „typu pozapiramidowego”)
[Masliah i wsp. 2000].

Transgeniczne myszy zawierające exon 1 ludzkiego białka huntingtin z ekspansją nukleotydów 115-156
CAG wytwarzają śródjądrowe inkluzje neuronalne zawierające huntingtin i ubiquitin oraz później
zaburzenia ruchowe typu HD a takŜe utratę wagi. [Mangiarini i wsp. 1996]

Nadekspresja zmutowanego ludzkiego genu PrP u myszy powoduje zmiany gąbczaste typowe dla
sporadycznej TSE. [Hsiao i wsp. 1990]. Niekiedy same insercje ludzkiego genu do genomu myszy
prowadzą do objawów klinicznopatologicznych i agregacji „misfolded” protein!

Transgeniczne myszy z ludzkim SOD1 z objawami „ALS-like”.

Niektóre formy TSE, AD i ataksji u zwierząt i ludzi nie wykazują wykrywalnych agregacji pomimo
uszkodzenia mózgu i objawów chorobowych stąd m.in. wynika, Ŝe degeneracje mogą być spowodowane
samym nieprawidłowym białkiem, które niekoniecznie musi tworzyć depozyty...
Wstrzyknięcie homogenatu bogatego w „misfolded proteins” przyspiesza chorobę w modelu zwierzęcym
(modele AD i innych amyloidoz) Amyloid-A (z SAA)  [Lundmark i wsp. 2002],

Udowodniono in vitro, Ŝe pierwotnie rozpuszczalne białka takie jak: amylina (IAPP), lizozym po dodaniu
doustnym niewielkiej ilości ich form włókienkowych rozpoczynają proces agregacji.!!!).

Spośród „chorób konformacyjnych” tylko TSE w sposób przekonywujący wykazują właściwości
„zakaźne” (transmisja)
Dlatego moŜna wyróŜnić:
1) amyloidozy pasaŜowalne
2) amyloidozy niepasaŜowalne

Objawy kliniczne i zmiany neuropatologiczne róŜnych neurodegeneracji mogą nakładać się

Proteinopatie CSN (wg typów białek szczególnie uwikłanych w patogenezę)

agregacje włókienek białka A

ββββ

(amyloidozy)

agregacje białka MAP-tau (tauopatie)
agregacje białkowe w chorobach wywołanych niestabilnością

powtarzalnych tripletów

nukleotydowych
agregacje prionowe (CJD i inne TSE)
agregacje

αα

-synukleiny i podjednostek neurofilamentów w

ciałach Lewy’ego (synukleinopatie:

ch.Parkinsona, Demencja+LB, multiple system atrophy)
agregacje innych róŜnych białek (depozyty np. w SZB, w zesp. Shy-Drager, aktyna w c.Hirano)

Amyloidozy = choroby konformacyjne białek

(Glenner GG – 1980 NEJM 52:148 -

ββββ

-fibrylozy)

ββββ

-fałdowa struktura pozwalająca na liczne wiązania wodorowe pomiędzy fibrylami białka co sprawia, Ŝe

struktura jest stabilna.

Białka mogące tworzyć amyloid: (ponad 20 białek)
łańcuchy lekkie przeciwciał (AL),
surowicze białko amyloidu A (SAA –protein),
białka „endokrynne”,
białko amyloidowe A

ββββ

W „stanie rozciągniętym” (wprzeciwieństwie do helikalnego) Paulinga grupy NH i CO, (które tworzą
wiązania wodorowe) „wystają” pod kątem prostym w stosunku do osi pasma białka. Jeśli dwa takie
pasma w „stanie rozciągniętym” są ułoŜone jeden wzdłuŜ drugiego tworzą się wiązania wodorowe

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

59/113

pomiędzy pasmami. W zaleŜności od kierunku ułoŜenia „pozycje” oznaczane są jako równoległe lub
„antyrównoległe”. „Antyrównoległe” ustawienie jest bardziej stabilne bo mostki wiązań wodorowych są
lepiej „spasowane”.

(amyloidoza uogólniona, odczynowa)

serum amyloid associated : SAA (20mg/L) wytwarzane w wątrobie, po stymulacji zapalnej
(makrofagi, IL-6, IL-1)

→

>1g/L

(białko AA = 76 resztowy N-koncowy odc. SAA)

(amyloidoza uogólniona, pierwotna)
szpiczak i inne proliferacje kk-B
(białko AL)

(inne amyloidozy uogólnione)
tow.hemodializie (

ββββ

2-mikroglobulina – składnik MHC class - I)

rodzinne amyloidozy (transthyretyna – transport tyroksyny i retinolu)

(amyloidozy zlokalizowane)
a. Mózgowe (np. AD, amyloid precursor p. APP - A

ββββ

endokrynne (typ II cukrzycy – amylina)

Amyloidozy mózgowe :

APP .(Amyloid-

ββββ

protein odkryte przez Glennera i Wonga w 1984 – początek „nowej ery” w badaniach

nad Ch.Alzheimera)
Ch.Alzheimera, wrodzony krwotok mózgowy z amyloidozą-holenderski: HCHWA-D, zesp.Downa,
mózgowa angiopatia amyloidowa

PrP (CJD, GSS, Kuru, FFI)

Cystatyna C (zmutowany inhibitor proteinazy cysteinowej) HCHWA-1 (typ islandzki)

transtyretyna (wariant) .
Rodzinna amyloidoza mózgowa – typ węgierski
ponadto mutacje transtyretyny prowadzą do:
wrodzone neuropatie (rodzinne polineuropatie amyloidowe)      amyloid gromadzi się w nerwach
prowadząc do zespołów typu HSAN hereditary sensory and autonomic neuropathy

PROTEIN MISFOLDING: Rola chaperonów w zachowaniu
funkcjonalności struktury

Z wyjątkiem białka tau głównie zawierającego alfa helisy w pozostałych białkach odcinki bogate w

ββββ

fałdy uwaŜane są za uwikłane w neurodegenerację.

Pasma

ββββ

-fałdowe biegną prostopadle do długiej osi włókien.

Nie wiadomo czy misfolding wywołuje agregację czy teŜ oligomeryzacja indukuje zmiany konformacyjne.

Protofibryle: bogate w struktury

ββββ

sheet , nierozgałęzione, szer. 3-6 nm, dług. do 100 nm, wydłuŜają się

przez „coalescence” i mają fizykochemiczne cechy amyloidu. Pozostają teŜ w dynamicznej równowadze z
oligomerami A

ββββ

i są prekursorami włókien amyloidowych.

Mechanizmy „spaczonego składania” i agregacji białek

W A

ββββ

, PrP, alfa-synukleinie odpowiedzialne są miejsca hydrofobowe

W HD i innych chorobach „tripletów” CAG agregacja jest związana wiązaniami wodorowymi (glutamina
ma aminową grupę dostarczającą spolaryzowane boczne łańcuchy i tendencją do tworzenia wiązań

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

60/113

wodorowych z wodą).

Liczne hipotezy próbujące wyjaśnić (względnie) selektywne zajęcie róŜnych struktur OUN w AD, HD, PD,
ALS.
Wśród proponowanych mechanizmów „spaczonego składania” i agregacji białek rozwaŜa się
rolę:

jonów metali,

patologicznych białek chaperonowych,

pH,

stresu oksydatywnego,

nadmiernego nagromadzenia makromolekuł

Mechanizm „nukleacji” (seeding/nucleation) przypominający krystalizację

Oligomery białkowe stanowią jądra krystalizacji.

Mechanizmy neurodegeneracji w „proteinopatiach”

1. Utrata funkcji (rozwaŜana w ALS, HD i TSE)

In vitro PrP, SOD1, A

ββββ

wykazują aktywność SOD (stąd utrata funkcji moŜe promować ROS-y)

2. Uzyskiwanie właściwości (neuro)toksycznych „Gain of toxic activity” (przez „źle
poskładane” białka)

To jest najbardziej szeroko akceptowana hipoteza.

Badania in vitro: agregacje „źle poskładanych” białek powodują apoptozę, podobnie jest w przypadku
oligomerów ze strukturami typu

ββββ

-sheet w białkach nie kojarzonych z jakąkolwiek chorobą (być moŜe

jakichkolwiek białek!) [Bucciantini i wsp. 2002].
A) aktywacja apoptozy poprzez sygnalizację pozakomórkową
np. poprzez wieloligandowy receptor RAGE (Receptor for Advanced Glycation End products)
B) zabieranie istotnych białek komórkowych do kompleksów amyloidowych
np.  składniki cytoszkieletowych białek, proteasomu, czynników transcrypcyjnych, chaperonów są obecne
w agregacjach

αα

-synucleiny i huntingtiny.

C) Formacja kanałów jonowych lub porów śródbłonowych
D) Indukcja stresu oxydatywnego: wolne rodn., oxydacja lipidów, Ca2+

Być moŜe waŜniejsze jest samo „misfolding” i oligomeryzacja niŜ agregacja? [Hartley i wsp. 1999,
Goldberg i Lansbury Jr 2000]

Agregacja i sekwestracja moŜe być mechanizmem obronnym przeciwdziałającym toksycznym efektom
„źle poskładanych” białek poprzez ich izolację [Watase i wsp 2000].

3. Hipoteza patogenezy proteinopatii poprzez wywoływanie odczynu zapalnego przez
„źle poskładane” białka

ZA: astroglioza i aktywacja mikrogleju w sąsiedztwie złogów. PodwyŜszenie poziomu róŜnych

czynników zapalnych w mózgu takich jak: cytokiny, chemokiny, czynniki wzrostu. In vitro – „Ŝle
poskładane” białka indukują wydzielanie białek zapalnych przez mikroglej i astroglej. Niektóre dane
wskazują na pozytywne działanie w AD leków przeciwzapalnych.

PRZECIW: Reakcja zapalna moŜe mieć charakter obronny (zahamowanie aktywacji składnika

C3 komplementu wzmagało neurodegenerację w transgenicznych zwierzących modelach AD)[Wyss-
Coray i Mucke 2002].

Choroby neurodegeneracyjne z otępieniem (demencją):
(podział na „korowe” i „podkorowe” nieco umowny)

•

KOROWE

•

Ch.Alzheimera,

•

Otępienie czołowo-skroniowe (Fronto-temporal dementia)

•

Ch. Picka,

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

61/113

•

Choroba rozsianych ciałek Lewy’ego (DLBD),

•

Zwyrodnienie korowo-podstawne (corticobasal ganglionic degeneration-CBGD)

•

Chr.17-linked d.,

•

Postępująca glejoza podkorowa (Prog.subc.gliosis)

PODKOROWE

•

Ch.Parkinsona,

•

Postępujące zwyrodnienie nadjądrowe (Progressive supranuclear palsy = Ch.Steele’a-
Richardsona-Olszewskiego) ,

•

ALS-plus, (ALS+demencja)

•

Neurodegeneration with brain iron accumulation type-I =NBIA-1 = (gen kinazy pantotenianu vit
B5) = (dawniej zwana “Hallervorden-Spatz disease” )
ch.Huntingtona

Choroba Alzheimera:

Główna przyczyn otępienia
Nieprawdłowa przemiana prekursora amyloidu (beta-amyloid precursor protein czyli APP) w amyloid
beta protein czyli A

ββββ

Patologia: „blaszki starcze” NFT, kongofilna angiopatia, zwyr.ziarnisto-wodniczkowe
UWAGA : blaszki starcze mogą występować u osób bez cech otepienia dlatego nie sam fakt wystąpienia
blaszek ale ich ilość (szacowana wg kryteriów tzw. CERAD) jest podstawą do neuropatologicznego
rozpoznania (w gruncie rzeczy – jedynie potwierdzenia rozpoznania klinicznego) choroby Alzheimera.

Funkcja APP nieznana, knock-out-owe myszy wykazują jedynie niewielkie zaburzenia motoryczne i
niespecyficzną gliozę.
Ostatnio sugeruje się rolę APP jako:

Receptora dla kinezyny-1 (szybki transport aksonalny)

„

ββββ

-stub” z C-końcem APP pełni rolę wnikającej do jądra molekuły sygnalizacyjnej (analogia z

Notch intracellular domain w embriogenezie)

αα

-sekretaza: proces realizowany najprawdopodobniej przez kilka enzymów i specyficzny nie dla

określonej sekwencji aminokwasów w łańcuchu ale dla „dystansu” ok. 16 reszt licząc od błony
komórkowej.
„Droga amyloidogenna” endoproteolizy APP
Procesy enzymatyczne :

ββββ

-sekretaza i

γγγγ

-sekretaza (cięcie w domenie śródbłonowej) tworzą „drogę

amyloidogenną” (

ββββ

-sheet)

Być moŜe proces

γγγγ

-sekretazy musi poprzedzać dodatkowo hipotetyczna

εεεε

-sekretaza

Obydwa procesy

ββββ

-sekretazy i

γγγγ

-sekretazy zachodzą niemal jednocześnie po INTERNALIZACJI APP

Podobne procesy dotyczą białka Notch i ErbB4

ββββ

-sekretazę zidentyfikowano jako enzym o nazwie:

ββββ

-site APP-cleaving enzyme (BACE)

Jest to potencjalnie obiecujący terapeutycznie „target”
(BACE-knock-out-owe myszy są bezobjawowe a zatem przypuszczalnie jest małe prawdopodobieństwo, Ŝe
blokowanie enzymu moŜe grozić bardzo powaŜnymi działaniami ubocznymi)

Akumulacja zwłaszcza amyloidogennych form A

ββββ

otwiera HIPOTETYCZNĄ tzw. „KASKADĘ

AMYLOIDOWĄ”
UWAGA ! Nie kaŜdy peptyd A

ββββ

jest amyloidogenny!

Peptyd A

ββββ

kończący się na reszcie 40 (A

ββββ

40) stanowi 90% wydzielanych peptydów A

ββββ

i jest prawidłowym

i nieamyloidogennym produktem komórkowym - jakkolwiek nieznana jest jego rola.
Reszta peptydów A

ββββ

to amyloidogenne A

ββββ

42 i A

ββββ

43.

Przypuszczalnie mogą one pełnić funkcję ośrodków nukleacji i tworzenia amyloidu takŜe z udziałem
A

ββββ

40.

Za tworzenie róŜnych wariantów białka A

ββββ

42 i A

ββββ

43) odpowiedzialne są RÓśNE farmakologicznie

γγγγ

sekretazy.
Mutacje APP oraz białek presenilin 1 i 2 (PS1, PS2) w rodzinnej AD
prowadzą do nasilonej produkcji fibrylo (amyloido)-gennego A

ββββ

Zdecydowana większość zidentyfikowanych mutacji prowadzących do rodzinnej AD dotyczy presenilin!

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

62/113

Mutacje presenilin PS1 i PS2, które prowadzą do rodzinnej choroby Alzheimera (FAD) powodując
nadprodukcję amyloidogennego A

ββββ

•

Dokładna rola presenilin i nikastryny w procesie

γγγγ

-sekretazy nie jest całkowicie jasna

•

Szereg obserwacji wskazuje na własności proteazowe presenilin jednak m.in. odmienna
dystrybucja wewnątrzkomórkowa presenilin w stosunku do miejsc gdzie zarówno APP jak i
Notch1 są rozszczepiane w domenie wewnątrzbłonowej (tzw. „spatial paradox”) i inne dane
czynią identyfikację

γγγγ

-sekretaza = presenilina niepewną.

•

γγγγ

-sekretazowa czynność jest prawdopodobnie realizowana przez więcej niŜ jeden enzym

•

Preseniliny są raczej „kofaktorami”

γγγγ

-sekretazy

Białko tau:

gen na chr. 17
białko towarzyszące mikrotubulom (MAP-tau), obecne w aksonach oraz w astrocytach i
oligodendrocytach.

W Ch. Alzheimera występuje w postaci nadmiernie ufosforylowanej (wzmoŜona aktywność kinaz? lub
osłabiona fosforylaz?) i tworzy charakterystyczne zwyrodnienia czyli NFT (neurofibrillary tangles),

Złogi białka tau nie wykazują przewagi

ββββ

-fałdowej lecz

αα

-helikalne [Sadqi i wsp. 2002].

Udział MAP-tau w AD jest raczej wtórny.

Genetyka ch. Alzheimera
(rodzinne postacie AD – dziedziczone autosomalnie dominująco)

1. Mutacje genu APP (chr.21),

efektem jest nadprodukcja l/lub przyspieszona agregacja A

ββββ

trisomia 21 (efekt „dawki genu),

Hered.cerebr.hemorrhage-with-amyloidosis (HCHWA)

2. Mutacje preseniliny (PS1 – chr.14, PS2 – chr.1)

białka (wraz z nikastryną) pełnia istotną rolę w rozszczepianiu róŜnych transbłonowych protein

związanych z transdukcją sygnałów (np. Notch, ErbB4), takŜe APP. (PS1 jest być moŜe

gamma sekretazą? Zob dyskusje powyŜej)

Kilkadziesiąt mutacji (zamiana poj.aminokwasów)

związanych z rodzinną AD i wczesnymi

objawami

(nadprodukcja A

ββββ

)

Rola apolipoproteiny E w zagroŜeniu ch. Alzheimera

Polimorfizm apolipoproteiny E (chr.19)

(białko łączy się z A

ββββ

; ułatwia agregację?)

Zwiększone 8x ryzyko AD (late-onset AD >65 l.) w przypadku genotypu homozygotycznego E4/E4 (dwa
identyczne allele dla izoformy E4), i 4x gdy tylko jeden z alleli jest typu E4. Natomiast ryzyko jest
zmniejszone w przypadku gdy nie ma E4 a zwłaszcza w przypadku układu E2/E2

izoforma

εεεε

4 moŜe stanowić „patologiczny chaperon” dla A

ββββ

(prowadzący do tworzenia konformacyjnych

struktur amyloidowych)

Alan Roses wykazał w 1994, Ŝe interakcja

εεεε

4 z białkiem tau moŜe być odpowiedzialna za szybsze

tworzenie paired helical filaments (PHF), natomiast

εεεε

2 i

εεεε

3 sekwestrują białko tau i opóźniają tworzenie

PHF.

KRYTERIA ROZPOZNAWANIA DEFINITYWNEGO CHOROBY ALZHEIMERA

Wytyczne CERAD
KRYTERIA ROZPOZNAWANIA HISTOPATOLOGICZNEGO CHOROBY ALZHEIMERA WG
CERAD OPARTE SĄ NA ILOŚCIOWEJ OCENIE WYSTĘPOWANIA BLASZEK STARCZYCH
(ZŁOGÓW W KTÓRYCH GŁÓWNYM BIAŁKIEM JEST BETA-AMYLOID)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

63/113

Synukleinopatie:

CH.PARKINSONA,

DEMENCJA+LB,

ZANIK WIELOUKŁADOWY (multiple system atrophy)

(4?)

(Neurodegeneration with brain iron accumulation type-I =NBIA-1 = gen kinazy

pantotenianu vit B5)

alfa-synukleina: 140 aminokwasów; zakończenia presynaptyczne, funkcja nieznana

•

αα

-synukleina gra rolę w sekwestracji dopaminy w pęcherzykach synaptycznych,

•

mutatcje

αα

-synukleiny (nie-amyloidowego komponentu blaszek starczych w AD) powodują

wzrost tendencji do tworzenia form protofibrilli, co prowadzi do nieprawidłowej formacji i/lub
przepuszczalności pęcherzyków z dopaminą i do neurotoksyczności

•

αα

-synukleina moŜe wytwarzać kanały („pory”) dziurawiące błonę komórkową

•

αα

-synukleina jest obecna w c.Lewy’ego razem z ubikwityną, podjednostkami proteasomu, heat

shock proteins, neurofilamentami

•

po 70 r.Ŝ. 1,5% populacji ma zmiany typu PD („senile” condensation of

αα

-synuclein and hence

tendency to form oligomers with

ββββ

-pleated sheets)

Choroba Parkinsona

•

Sporadyczna w 95%, genetycznie uwarunkowana w <5%

•

Klin.: sztywność, hypokineza, spowolnienie, drŜenie stałe, „liczenie pieniędzy”, otępienie-późno,
początek ok.58 r.z. (początek w rodzinnej chorobie Parkinsona jest znacznie wcześniej)

•

Degeneracja neuronów w s.nigra prowadzi do redukcji dopaminy w striatum (leczenie L-dopą,
prekursorem dopaminy)

•

czasami mutacje alfa-synucleiny (non-amyloid proteinaceous component of senile plaques in AD)

•

Alfa-synuclein jest obecna w ciałkach Lewy’ego (LB)

•

Ciałka.Lewy’ego w s.nigra (staje się blada) i w korowych neuronach

•

W 5-7% autopsji są parkinson-type zmiany bez klinicznych symptomów („preclinical phase”?),

•

Po 70 r.Ŝ 1,5% populacji ma zmiany typu PD

•

Diffuse Lewy Body Dementia (Otępienie z rozsianymi korowymi LB)

•

Degeneracja neuronów w s.nigra prowadzi do redukcji dopaminy w striatum (leczenie L-dopą,
prekursorem dopaminy)

•

Modele eksperymentalne: „toksyczne” i „genetyczne”

•

Objawy, które w róŜnym stopniu imitują kliniczne i patologiczne cechy choroby Parkinsona
moŜna wywołać m.in. Podając zwierzętom: MPTP oraz rotenon (środek insektobójczy blokujący
mitochondrialny kompleks I co powoduje wzrost ROS i uszkodzenie komórek)

•

Transgeniczna Drosophila m. Z ludzkim dzikim lub „typowo” (A53T; A30P) zmutowanym genem

αα

-synukleiny (drozofila nie posiada białka

αα

-synukleiny ). W 30-60 dniu wykazuje selektywna

deplecję DA-neuronów i zab motoryczne (brak ujemnej reakcji geotaktycznej). Zaburzenia te
likwiduje podanie lewodopy, bromokryptyny lub pergolidu.

Choroba Parkinsona - genetyka

•

Mutacje łączące się z rodzinną PD – geny (niektóre):

–

Locus PARK1: kodujący

αα

-synuclein (autosomalna dominująca early-onset PD)

–

Locus PARK2: kodujący parkin (=E3 ubiquitin ligase, bierze udział w „ubiquitin-
proteasome pathway” UPP; autosom reces, juvenile-onset PD)

–

Locus PARK5: kodujący UCHL1 (ubiquitin carboxy-terminal hydrolase L1,
odpwiedzialna za recycling molekuł ubiquitin w UPP; autosom.dom. z niepełną
penetracją)

–

Gen białka DJ1 (białko DJ1 - locus PARK7 – (autosomalnie recesywna PD)

Stwardnienie boczne zanikowe (ALS)

•

Etiologia nieznana – liczne teorie patognetyczne

•

Czas trwania ok.. 2 lat

•

Choroba sporadyczna (90%) lub dziedziczna (rodzinna)

•

W 5-10% choroba dziedziczna (rodzinna – Familal amyotrophic lateral sclerosis – FALS) –
zwykle początek objawów 10 wcześniej niŜ w sporadycznym SBZ

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

64/113

•

Mutacja genu z locusem na chr. 18 jest prawdopodobnie najczęstszą wśród rodzinnej choroby

•

Jak dotąd wśród konkretnie rozpoznanych mutacji określonego genu najczęstszą jest mutacja
genu Cu/Zn SOD1 (25% wszystkich FALS)

•

Delecja homozygotyczna genów SMN2 dodatkowo pogarsza rokowanie (czynnik modyfikujący)

•

Ubytek „górnych” i „dolnych” motoneuronów

•

Degeneracja mieliny w drogach piramidowych

•

Wtręty (ciałka Buniny, wtręty „skeinowe”-nitkowate, wtręty szkliste, ubikwityno-pozytywne)

•

Sferoidy aksonalne, chromatoliza, glioza,

Choroby prionowe

Choroby z patogenezą prionową

•

ZWIERZĘTA

•

Scrapie:owce, kozy

•

TME (pasaŜowalna encefalopatia norek)

•

CWD (przewlekłą wyniszczająca choroba jeleni): jeleń, łoś

•

BSE (gąbczasta encefalopatia bydła)

•

Inne EG: koty, antylopy, pumy, tygrysy (ZOO)

•

LUDZIE (podział wg. obrazu klinicznego)

•

CJD: Choroba Creutzfeldta-Jacoba

•

GSS: Gerstmann-Sträussler-Scheinker syndrome

•

FFI: Śmiertelna rodzinna bezsenność

•

Kuru

•

Postępujące zglejowacenie podkorowe ?

PRIONY
"PROTEINACEOUS INFECTIOUS PARTICLES”

Białko PrPc (cellular), jest prawidłowym białkiem kodowanym przez pojedynczy exon z pojedynczej kopii
genu na krótkim ramieniu chr. 20 (ok. 210 aminokw.)
Prion, oznaczany jako PrPsc (scrapie) jest zmodyfikowaną formą prawidłowego białka komórkowego
PrPc białko błonowe (synaptyczne?) neuronów złączone z glikoinozytolowym fosfolipidowym
zakotwiczeniem
PrPc jest wraŜliwe na proteazę natomiast PrPsc jest oporne na proteazę
PrPsc wprowadzone do komórki powoduje trwałe chemiczne i/lub konformacyjne zmiany PrPc
prowadzące do powstania „kopii” PrPsc

•

Jednym z największych i szokujących obserwacji były obserwacje „zakaŜenia” małp przez materiał
pochodzący z rodzinnych (genetycznych) przypadków CJD !! (w 1981 przeniesienie fCJD na naczelne)

•

Oprócz PrPc podobne własności „samoreplikacji-konformacyjnej” mają białka droŜdŜy Ure2p i Sup35.

Białko PrPc jest szczególnie silnie ekspresjonowane w neuronach gdzie prawdopodobnie moŜe pełnić rolę
w magazynowaniu lub „sygnalizacji” miedzi (Cu) [Brown Qin, Herms i inni Nature 1997, 390:684-7]
Zmiany konformacyjne białka priona mogą występować bez zmian istotnych modyfikacji chemicznych
- oporne na procedury modyfikujące kwasy nukleinowe
- Gen (PRNP) u człowieka na krótkim ramieniu chr. 20; pojedynczy exon (3)
- PrPc 27-30 kD (prekursor 33-35kD) 254 aminokwasy.
Po odcięciu N- i C-końcowych sekwencji
„dojrzały” prion (reszty od 23 do 231) ma ok. 210 aminokwasów

„Własne” allele genu PrP oraz układ odpornościowy konieczny do efektywnego zakaŜenia*
*myszy z zesp. SCID oraz myszy „null” (PrP o/o) (Büeler et al., 1993)
czyli pozbawione alleli dla PrP są oporne na infekcję.

Konwersja PrPC do PrPSc obejmuje redukcję struktur alfa helix i wzrost „beta fałdowych” struktur w
obrębie protein prionowych (Pan et al., 1993)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

65/113

Wraz z wiekiem prawdopodobnie obniŜa się bariera energetyczna pomiędzy stanem energii „low-level”
dla prawidłowej konformacji PrP i „high-level” dla patologicznegpo konformera

Neuropatologia chorób „prionowych”

•

Ogólnie choroby prionowe u ludzi i zwierząt moŜna z grubsza podzielić na takie w których:

•

1. (większość chorób) są zmiany gąbczaste i akumulacje PrP ale bez (lub z nielicznymi) plakami
amyloidowych

•

2. (tylko przypadki GSS) Liczne plaki amyloidowe PrP (białko jest silnie „okrojone”) i róŜnie
nasilone zgąbczenie

•

3. (nowy „wariant” CJD - vCJD) Silne zgąbczenie, liczne akumulacje PrP oraz liczne plaki PrP.
(W vCJD nie ma mutacji PRNP.)

Choroba Creutzfeldta-Jakoba

Opisana w 1920-1921 jako postępująca demencja z przeŜyciem poniŜej 1 roku z miokloniami a później z
piramidowymi i pozapiramidowymi objawami

Sporadyczna CJD

1/1000 000/rok; 55-70 r.Ŝ.; przebieg śr. 7 mieś.

1. MoŜliwa (postępujące otępienie, czas trwania poniŜej 2 lata, bez typowych zmian EEG i objawy jak
niŜej)
2. Prawdopodobna [postępujące otępienie, typowy EEG i min. 2 z objawów: a) mioklonie, b) zab. widzenia
lub móŜdŜkowe, c) zab. piramid-pozapiramidowe, d) mutyzm akinetyczny]
3. Definitywna (typowy obraz neuropatologiczny i/lub stwierdzenie złogów PrP immunohistochemicznie)

Rozpoznanie neuropatologiczne CJD:
Prawdopodobna [typowe objawy kliniczne oraz zmiany gąbczaste bez innych niejsnych interpretacyjnie
zmian morfologicznych]
Definitywna : wymagane spełnienie jednego z dodatkowych (oprócz powyŜszych) kryteriów:

- obecność amyloidowych złogów (plak typu Kuru) PrP

- obecność PrPSc

- wykazanie transmisji choroby na zwierzęta

- obecność patogenetycznej mutacji PRNP

Kliniczna diagnostyka CJD

•

EEG w 60% (1-2 cykli/s uogólnione trójfazowe periodyczne zespoły ostrej fali)

•

CSF: białko pow.0.4g/L, białka: p130,p13, 14-3-3,

•

CT/NMR: norma lub atrofia, spektroskopia NAA bez rezultatów

Konieczność weryfikacji neuropatologicznej

RóŜnicowanie neuropatologiczne CJD
wymaga róŜnicowania (przynajmniej w teorii) wszelkich typów otępień.

•

Zmiany gąbczaste spotyka się w licznych schorzeniach takich jak ch. Alzheimera, ch. Picka, ch. Ciałek
Lewy’ego, otępienie typu czołowego, zespół ALS-plus,

•

„status spongiosus” (nieswoista wakuolizacja w przebiegu róŜnych schorzeń, oraz artefaktyczna)

•

Glioza i zaniki neuronalne są często spotykane w niemal wszystkich neurodegeneracjach i innych
schorzeniach OUN

Neuropatologia CJD

•

WyróŜnia się wiele podtypów z uwagi na dystrybucję zmian.

•

Podstawowymi zmianami są:

–

zgąbczenie, (Masters i Richardson określają „stan gąbczasty – st.spongiosus” z
większymi wakuolami do 100 mikrometrów oraz „zwyrodnienie gąbczaste – spongiform
degeneration” w którym wakuole są małe 5-25 mikrometrów)

–

zanik neuronów,

–

astroglioza,

–

niekiedy blaszki amyloidowe , nazywane teŜ tzw. blaszkami-Kuru (w 5-10%)

•

Zmiany mogą się bardzo róŜnić w poszczególnych przypadkach stopniem zasilenia i dystrybucją.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

66/113

•

Zmiany w istocie białej uwaŜa się za wtórne (chociaŜ tzw. vacuolar myelopathy moŜe teŜ naleŜeć
do zmian pierwotnych)

Neuropatologia nowego wariantu: nvCJD (vCJD)

•

Do końca 2001 zachorowało 106 osób w Wlk.Brytanii.

•

Śr. Wiek 28 lat, średni czas choroby – 13 mieś., obj.psychiczne

•

śaden z chorych nie miał mutacji PRNP

•

Wszyscy zbadani (76) mieli Met/Met w kodonie 129

•

Charakterystyczne są bardzo liczne PAS+ amyloidowe blaszki prionowe oraz masywne
prymitywne PrP depozyty które są PAS-ujemne. Blaszki najliczniejsze są w móŜdŜku i w płatach
potylicznych. (W przeciwieństwie do GSS gdzie teŜ sa bardzo liczne blaszki, PrP w vCJD jest
oporne na proteazy oraz choroba nie jest dziedziczna.)

•

Jest teŜ duŜe nasilenie zmian gąbczastych (zwłaszcza w j.podstawy i wzgórzu).

•

We wzgórzu jest szczególnie silna astroglioza.

•

Wiele blaszek jest szczególnie specyficznych – tzw. „florid”

•

Typowe jest teŜ powstawanie „klasterów” blaszek

•

PrP stwierdza się poza CSN (migdałki)

•

Status kodonu 129 PRNP a fenotyp choroby

sporadycznej

•

*UWAGA! Status kodonu 129 białka priona ma kluczowe znaczenie dla fenotypu choroby
prionowej zarówno sporadycznej oraz jatrogennej a takŜe rodzinnej. (zob dalej slajd „genetyka
CJD”)

•

Na podstawie analizy 300 przypadków SPORADYCZNEJ CJD z USA, i Europy wyróŜniono
kilka osobnych molekularno-neuropatologiczno-klinicznych grup z uwagi na:

–

status kodonu* 129 (MM, MV, VV) oraz rezultat cięcia proteinazą K (typ 1 = 21 kDa i
typ 2 = 19 kDa). W rezultacie wyróŜniono grupy:

•

MM1 lub MV1 (70% przyp „typowej CJD”)

•

VV2 (16% CJD z ataksja i późną demencją bez typowych zmian EEG i mioklonii)

•

MV2 (9% ataksja i relatywnie powolna demencja)

•

MM2 (4% trudna diagnostycznie, bezsenność: Sporadic Fatal Insomnia -SFI,)

•

VV1 (1% rozległa wakuolizacja bez zmian w EEG i bez ataksji)

•

Ogólnie w sporadycznej CJD 90% chorych jest homozygotyczna dla albo Met albo Val

•

Natomiast 100% przypadków wariantu (vCJD) była homozygotyczna dla Met.

Genetyka CJD

•

W 15% CJD jest rodzinna i dotyczy wtedy młodszego wieku; (w 85% CJD jest sporadyczna);

•

W rodzinnej CJD

najbardziej typowe mutacje PRNP to:

–

a) kodon 200 (zamiast kw. Glu jest lizyna Glu=>Lys)

–

b) kodon 178 (zamiast kw. Asparaginowego jest asparagina Asp => Asn) – Ma teŜ
znaczenie status kodonu 129 (zob. niŜej)

–

c) dodatkowe insercje powtarzalnych oktapeptydów, których w normalnym PRNP jest 5.

–

Ad b) w przypadku mutacji w kodonie 178 o fenotypie decyduje kodon 129- jeśli jest w
nim Val to jest CJD, jeśli jest w nim Met to jest FFI,

•

W sporadycznej CJD NIE MA MUTACJI natomiast podwyŜszone ryzyko dla sporadycznej i
jatrogennej CJD jest u homozygot w kodonie 129 PRNP, ponadto ryzyko wzrasta z wiekiem.

•

1%>> przypadkowe zakaŜenie (hormon wzrostu, przeszczepy),

Genetyka śmiertelnej rodzinnej bezsenności FFI
Mutacja kodonu 178 identyczna jak w części przypadków rodzinnej CJD Asp (acid)=> Asn (asparagine).
(Mutacje wykryto w 1992 a w 1995 chorobę przeniesiono na gryzonie.)
Obraz kliniczny zaleŜy od kodonu 129, Jeśli (oprócz mutacji w kodonie 178), w kodonie 129 jest
homozygotyczność z metioniną (Met/Met) to przypadek wykazuje cechy odpowiadające FFI, a jeśli jest
Val/Val to jest to CJD.
Opisano teŜ przypadek sporadycznej FI bez mutacji genu PRNP (ale równieŜ z zajęciem wzgórza) i
przeniesiono chorobę na myszy uzyskując taki sam obraz neuropatologiczny jak w FFI. [Mastrianni i wsp.
NEngJMed 1999, 340, 1630-8]

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

67/113

Genetyka GSS

•

Niemal wyłącznie przypadki rodzinne, dominująco somatycznie z typową mutacją kodonu 102
(zamiast proliny jest leucyna pro=>leu P102L) będącą pierwszą opisaną mutacją w chorobie prionowej
a takŜe m.in. w potomstwie oryginalnego przypadku rodziny opisanej przez Gerstmanna.

•

Na non-human primates przeniesiono w 1981r. Zmutowane białko jest względnie wraŜliwe na
proteinazy w przeciwieństwie do pozostałych chorób prionowych.

•

Inne rzadsze mutacje w GSS to zamiany aminokwasów w kodonach 105, 117, 198, 217, oraz stop w
kodonie 145 (skrócone białko PrP i atypowy wariant GSS przypominający chorobę Alzheimera)

Porównanie „klasycznej” CJD
i (nowego) „wariantu” of CJD

•

KLASYCZNA:

•

wiek: VII dekada

•

Czas trwania: 7ms.

•

WARIANT:

•

Wiek: III dekada.

•

Czas trwania: 1-2 lat

•

Obj. kliniczne: zab. osobowości; późne otępienie; brak typowych zmian w EEG

•

Neuropathologia: liczne Kuru-like plaki i tzw. „florid-plaques” (z wakuolami)

Neuropatologia Kuru

•

Kuru (choroba najprawdopodobniej zaczęła się między 1900 i 1920 rokiem od pojedynczego
sporadycznego przypadku CJD, następnie zjedzonego...;

•

kobiety i dzieci częściej chorowały niŜ męŜczyźni, (którzy zjadali wyłącznie mięso)

•

zmiany w móŜdŜku, zanik neuronów, „torpedowate” aksony komórek Purkinjego, glioza
Bergmanna, zmiany gąbczaste, zmiany w korze mózgu niewielkie i głównie w obszarach
„przyśrodkowych” (równieŜ w skorupie, j,ogoniastym).; liczne amyloidowe blaszki o promienistej
budowie zwłaszcza w w.ziarnistej, PAS+ („kuru-plaques”) !! W 1966 udowodniono zakaźność
homogenatów mózgu z ch. Kuru (w 1968 takŜe dla sporadycznej CJD, a w 1981 dla fCJD)

Neuropatologia niektórych pozostałych chorób prionowych

•

GSS: wielordzeniowe, PAS+, multicentryczne blaszki amyloidowe, w móŜdŜku blaszki dominują
w warstwie drobinowej kory (w przeciwieństwie do CJD)

–

Niektóre przypadki GSS (niektóre typy mutacji) wykazują obecność silniejszych niŜ dla
danego wieku zmian neurofibrylarnych (NFT). NFT sa podobnie jak w Alzheimerze
zbudowane z ufosforylowanego białka tau. Ponadto w mutacji Q217R stwierdza się złogi
białka amyloidowego A

ββββ

na obrzeŜach plak PrP.

–

W mutacji GSS (Y145Stop - silnie skrócone białko PrP) stwierdzono obfite złogi PrP w i
wokół naczyń w parenchymie mózgu i oponach, natomiast bez zgąbczenia.

•

FFI oraz sporadyczna FI: charakterystyczne „wybiórcze” zajęcie wzgórza z zanikiem neuronów
jednak bez zgąbczenia.

Choroby wywołane niestabilnością powtarzalnych
tripletów nukleotydowych

w większości ekspansja CAG (kodon glutaminy)
(CTG leu) Dystrofia miotoniczna
(GAA glu) Ataksja Friedreicha

Choroby wywołanych niestabilnością powtarzalnych tripletów nukleotydowych (w 100% genetyczne)

Choroba Huntingtona (ekspansja CAG w genie huntingtyny, chr.4)

Choroby z niestabilnością TN w obrębie sekwencji podlegającej translacji

Ch. Kennedy’ego

Ataksja rdzeniowo-móŜdŜkowa-

dentatorubropallidoluysial atrophy

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

69/113

róŜnych okolicach mózgu, móŜdŜku, pnia (i.czarna, m.sinawe), zanik neuronów zwł. Pośrednio-
bocznych strefach i.szarej rdzenia kręgowego (moŜe być nieobecny); astroglioza, wtręty w
oligodendrocytach

Degeneratio striato-nigralis (zwyrodnienie prąŜkowia i istoty czarnej)

Atrophia olivo-ponto-cerebellaris (zanik oliwkowo-mostowo-móŜdŜkowy)

Otępienia nie-Alzheimerowskie:

Otępienie czołowo-skroniowe (i warianty-odmiany)

Choroba Picka

Otepienie czołowo-skroniowe lub otępienie bez wyróŜniającej patologii

Postepująca afazja

Otepienie semantyczne

Otępienie z ALS

Otępienie mezolimbiczne
Zwyrodnienie korowo-podstawne
Postępujące poraŜenie nadjądrowe (Ch. Steele’a-Richardsona-Olszewskiego)
Postępująca podkorowa glioza
Otępienie z ziarnami srebrochłonnymi
Otępienie z włosowatopodobnymi srebrochłonnymi wtrętami

Otępienie czołowo-skroniowe (FTD)
Choroba rodzinna w ok. ½ przypadków (17q21-22)
Klinicznie: otępienie i głębokie zmiany osobowości i zachowania.
Początkowo brak dbałości o higienę osobistą, nieostroŜna (reckless) jazda samochodem, „odhamowanie”
zachowania, nadmierne jedzenie, alkoholizm, wczesny zaniki świadomości społecznej, świadomości osoby,
zachowania perseweracyjne i rytualne, zanik sprawności językowej. Zachowanie orientacji i praksji.
Przebieg powolny, w późniejszym okresie dochodzą obj.pozapiramidowe
Choroba neuropatologicznie i klinicznie bywa rozpatrywana w łączności z chorobą Picka i tzw. dementia
lacking distinctive neuropathology (DLDN) a ponadto niektórzy (Brun i wsp, Giannakopulos i wsp.) do
„grupy FTD” dołączają zespół ALS-plus.

Choroba Picka
Bardzo rzadka; charakterystyczny zanik płata czołowego i skroniowego i zaoszczędzenie tylnych 2/3
zakrętu skroniowego górnego.
Zaniki neuronów zwł. III warstwy kory, glejoza, achromatyczne neurony (tzw. komórki Picka) oraz ciała
Picka („kule srebrochłonne”)
Ciała Picka są dodatnie dla ubikwityny oraz MAP-tau i chromograniny. Występują w nich „paired-
helical-filaments” oraz proste tubule
Komórki i ciała Picka najliczniejsze w zakręcie zębatym i w korze czołowej. Są teŜ zmiany typu
zwyrodnienia ziarnisto-wodniczkowego.

Zwyrodnienie korowo-podstawne (CBD = corticobasal ganglionic degeneration =cortico-nigral
degeneration)
Opisane w 1967, dotąd opisano ok. 100 przypadków;
Przebieg: trudności wykonywania złoŜonych czynności pojawiają się asymetrycznie w jednej kończynie a
później w następnych („pozycja dystoniczna” kończyny), trudności chodzenia, sztywność
pozapiramidowa, mioklonie, zespół „obcej kończyny” (alien limb), dysartria, poraŜenie nadjądrowe
ruchów oczu; otępienie późno po 4-5 latach choroby.
Neuropatologia (kryteria NINDS): obrzmiałe achromatyczne neurony w III, V i VI warstwach kory
dodatnie dla MAP-tau i neurofilamentów. Wtręty „korowo-podstawne” w s.nigra (ubikwityno+ i tau+);
zmiany mieszają się często z PSP oraz ze zmianami alzheimerowskimi i parkinsonowskimi.

Postępujące poraŜenie nadjądrowe
Ch. Steele’a-Richardsona-Olszewskiego
Choroba zdefiniowana w 1964 r., zwykle sporadyczna choć obserwowano przypadki rodzinne (ale te
raczej uwaŜa się za warianty tzw. FTDP-17). Chorobę rozpoznaje się posługując się kryteriami NINDS
(PSP moŜliwe, prawdopodobne, definitywne).

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

71/113

Neuronalna kontrola ruchu

Dwa „piony” dowodzenia ruchem:
–„Osiowy-posturalny”
–„Boczny-wolicjonalny” („precyzyjny”)

Trzy typy układu motorycznego:

szkieletowy,
autonomiczny
neuroendokrynny

Rola impulsacji czuciowej:
Receptory w mi

ęś

niach

Receptory w stawach
Receptory skórne,

luzówkowe, inne

Impulsacja bł

dnikowa i oczna

dra podstawy i mó

ek uczestnicz

w kontroli ruchu poprzez Górny Motoneuron (GMN)

ęś

nie szkieletowe – zł

cze nerwowo-mi

ęś

niowe – jednostki motoryczne

Motoneurony unerwiaj

ce okre

lony mi

sie

tworz

„pul

” (motor neuron

pool)

w substancji szarej rogów przednich rdzenia (w kształcie wrzecionowatego klasteru)

•Trzy podstawowe typy włókien mi

ęś

niowych w zale

ci od szybko

ci wytwarzania

skurczu w odpowiedzi na pobudzenie z nerwu i na odporno

c na zm

czenie

(obserwacja zmiany siły skurczu na pocz

tku i po wielu minutach dra

nienia stał

sto

wyładowa

•S (Slow twitch) = typ 1

(czerwone, obfita mioglobina i mitochondria )

•FR (fast (fatigue) resistant)

= 2a
•FF (fast „fatigable” twitch) = typ 2b

(blade, mało mitochondriów, grubsze-silniejsze, jednostki

motoryczne „obsługuj

” liczniejsze włókna – wi

kszy współczynnik unerwienia „innervation ratio”)

Jednostki motoryczne

–(od 3-4 włókien do 2000 – tzw. współczynnik unerwienia – Innervation Ratio)
–Mi

ęś

nie oczu IR

≈

3-10

–Mi

ęś

nie poruszaj

ce palcami

≈

100

–Mi

sie

gastrocnemius

≈

2000

•

UWAGA!

sie

, który kurczy si

wolniej, wolniej si

rozkurcza (stabilniejsza praca)

•Regulacja siły skurczu: dwie kooperuj

ce metody

•1

. wzrost cz

sto

ci wyładowa

-motoneuronach

•2

. rekrutacja kolejnych jednostek motorycznych wg „zasady wielko

ci”

(size principle

) czyli rozmiaru

motoneuronu
•Kombinacja obu metod ró

na w ró

nych mi

ęś

niach (np. w drobnych mi

ęś

niach r

ki szybka rekrutacja

wielu jednostek a potem gradacja cz

stotliwo

ci wyładowa

)

•AD 1.

Schemat po prawej:

zale

ść

siły skurczu od cz

stotliwo

ci potencjałów cz. we włóknie nerwowym – sumowanie si

efektów pojedynczych potencjałów – a

do skurczu t

ęŜ

cowego

Odpowiada to wzrastaj

cej cz

sto

ci wyładowa

w nerwie od 8/sek do 100/sek („fused tetanus”) .

•AD 2.

„SIZE PRINCIPLE” (Henneman 1957) – zasada sekwencji rekrutacji typów jednostek

motorycznych wraz ze zwi

kszaniem siły skurczu: S - pierwsze, poniewa

maj

szy potencjał

progowy.

•S (pierwsze)

→

FF (ostatnie)

•Co przekłada si

równie

na rozmiar

-motoneuronów

•S (najmniejsze

-motoneurony)

→

FF (du

-motoneurony)

•(im wi

kszy neuron tym wi

ksza „siła” jednostki)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

72/113

Struktura rdzenia – strefy Rexeda

•Somatopowa organizacja motoneuronów rdzenia
•Obszary przy

rodkowe – mi

ęś

nie tułowia i proksymalne mi

ęś

nie ko

czyn

–Interneurony tworz

poł

czenia niemal na wszystkich poziomach rdzenia

•Obszary boczne – mi

ęś

nie dystalne ko

czyn

–Interneurony tworz

poł

czenia na niewielu s

siaduj

cych poziomach rdzenia

•Wa

niejsze interneurony:

–Kk. Renshaw’a

, - tzw. interneurony rekurentne (glicyna, GABA?). Powoduj

tzw. rekurentne

hamowanie (ujemne sprz

ęŜ

enie zwrotne) motoneuronów. S

pobudzane przez te same neurony

(tak

e przez motoneurony z mi

ęś

ni synergistycznych), które nast

pnie hamuj

. Przypuszcza si

ich zadaniem jest „poboczne hamowanie” innych synergistycznych motoneuronów w celu zwi

kszenia

„kontrastu” mi

dzy aktywnymi i nie(słabo)aktywnymi motoneuronami.

–IN - Ia

(glicyna, blaszka VII) – stymulowany przez włókna Ia z wrzecion mi

ęś

niowych hamuje

motoneurony mi

ęś

ni antagonistycznych (hamowanie recyprokalne). Z reguły sygnały stymuluj

dany motoneuron (np.. Z kory) jednocze

nie stymuluj

IaIN dla motoneuronów mi

ęś

antagonistycznych. IaIN sa równie

stymulowane przez lokalne CPG.

–Interneurony hamuj

ce presynaptycznie

(ró

ne podklasy dla włókien Ia, Ib, II (Ib z narz

dów

Golgiego), czucia powierzchownego. – hamuj

wydzielanie neurotransmitera w zako

czeniach

włókien aferentnych ró

nych dróg czuciowych (ale nie np.. Dróg korowo-rdzeniowych). Przeł

czanie

stymulacji pomi

dzy interneuronami dla włóken czuciowych Ia i dla Ib pozwala na mo

liwo

ść

regulacji

balansu mi

dzy odpowiedzi

na impulsacj

włókien Ia (rozci

gni

cie) lub włókien Ib (obci

ąŜ

enie).

Rdze

gowy kontroluje funkcje motoryczne poprzez mechanizmy odruchowe

Odruch miotatyczny
•Wrzeciono mi

ęś

niowe nale

y (wraz z narz

dami Golgiego i receptorami stawowymi do

proprioceptorów (podrodzina mechanoreceptorów)
•Unerwienie wrzeciona mi

ęś

niowego: aksony włókien Ia tworz

tzw.”pierwotne zako

czenia

czuciowe”, włókna II tworz

wtórne zako

czenia czuciowe

Wrzeciono mi

ęś

niowe – cz

ęść

układu reguluj

cego długo

ść

ęś

nia

•Dwa typy intrafuzalnych włókien mi

ęś

niowych: typu „nuclea bag” i „nuclear chain”

•Pierwotne włókna aferentne Ia maj

pocz

tek w obu typach włókien mi

ęś

niowych

•Mniejsze tzw. wtórne aferenty typu II odchodz

tylko z włókien typu „nuclear chain”

•Aferenty z włókien typu „nuclear bag” sygnalizuj

dko

ść

rozkurczania si

ęś

nia i b.szybko

adaptuj

– jest to odpowied

fazowa po któej nast

puje „cisza” je

li nie zmienia si

długo

ść

ęś

nia

•Oba typy aferentów (Ia i II) z włókien „ła

cuchowych” wykazuja impulsacj

proporcjonaln

długo

ci mi

ęś

nia

Ró

nice impulsacji w biernym rozci

ganiu mi

ęś

nia i w aktywnym skurczu

Rola p

tli gamma (

Wpływ p

tli gamma (

) na efektywno

ść

odruchu miotatycznego (jest to okrae

lane mianem

„gain” czyli stopnia zysku reakcji odruchowej)
Aktywno

ść

jest wy

sza w trakcie ruchów wymagaj

cych precyzji.

Efektywno

ść

odruchu miotatycznego regulowana jest te

poprzez oddziaływanie na

alfamotoneurony.

Odruch z narz

dów Golgiego reguluje napi

cie mi

ęś

nia i pomaga np. w utrzymaniu kartki papieru

gnie przeci

tnego mi

ęś

nia znajduje si

ok. 100 zako

cze

Golgiego. Ka

de odpowiada

na skurcz okre

lonej liczby włókien mi

ęś

niowych z danej jednostki motorycznej.

Odruchy wywoływane bólem – (receptory skórne):
1.Skurcz zginaczy po tej samej stronie
2.Skurcz prostowników po stronie przeciwnej (utrzymanie równowagi i postawy)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

73/113

(Ale co b

dzie gdy wywoła

odruch jednocze

nie z obu stron ??? obustronne odruchy „znios

” ?

nie jest to jasne)
•Uwaga!
•Istniej

równie

tzw. transkortykalne (cz

ęś

ciowo te

prawdopodobnie „subkortykalne”)

odruchy rozci

gowe (long-latency stretch reflexes).

•Odruchy pozostaj

pod kontrol

rodków wy

szych (przykład spastyczno

ci i „szoku rdzeniowego”)

Central pattern generator
O

rodkowy generator wzorca motorycznego

Motoryczny układ szkieletowy (hierarchia „wojskowa”?!)

Najni

ej -

motoneurony (MN)

(„Wy

ej”?) – interneurony rdzenia i pnia

ej – tzw. generatory wzorców ruchowych („motor pattern generators” –MPG (układy

interneuronów)
Najwy

ej -- inicjatory wzorców ruchowych (motor pattern initiators MPIs)

„Wej

cie-input” I,S,C mo

liwe do ka

dego „szczebla hierarchii”

MPGs i MPIs równie

maj

własn

hierarchi

•Generator wzorca ruchu (MPG = CentralPG = program motoryczny) to grupa zwi

zanych

funkcjonalnie interneuronów koordynuj

cych okre

lon

aktywno

ść

ruchow

realizowana przez wiele

ęś

ni (np. odruchy unikania - withrawal,

ucie, oddychanie, połykanie, kaszel, kichanie, chód)

•Najlepiej poznane u homarów (lobster) i minoga morskiego (lamprey)
•CPG – s

w pniu i rdzeniu

Oscylatorowa teoria pływania u morskiego minoga (lamprey)•W obr

bie CPG wyst

puj

neurony

charakteryzuj

ce si

oscylacyjn

aktywno

(„pacemakers”)

•Ta sama „sie

” neuronalna mo

e pod wpływem ró

nych bod

ców zmienia

charakterystyk

aktywno

•Czy jest szansa aby wykorzysta

CPG do rehabilitacji po uszkodzeniu rdzenia?

•Input czuciowy w czasie mechanicznej stymulacji mo

e stymulowa

CPG, zmienia te

syntez

GABA

w hamuj

cych interneuronach

•Leki serotoninergiczne i adrenergiczne prawdopodobnie mog

sprzyja

ponownemu odtworzeniu

aktywno

ci CPG

•Sytuacja lepsza gdy zachowana jest cz

ęść

włókien korowo-rdzeniowych

•Receptory sygnalizuj

ce pozycj

i ruch ko

czyn (propriocepcja i kinestezja) :

–Aferenty stawów (joint afferents)
–Wrzeciona mi

ęś

niowe

–Narz

dy Golgiego

–Aferenty dotykowe (tactile afferents) – w mi

ęś

niach i skórze np. wolno adaptuj

ce si

aferenty

Ruffiniego poprzez sygnalizacj

napi

cia skóry informuj

o pozycji palców

Kora ruchowa i przedruchowa
•Pierwotna kora ruchowa (pole Brodmanna 4) charakteryzuje si

bardzo niskim progiem dla

pobudzenia ruchu w mi

ęś

niach.

•Komórki piramidowe Betza (s

to wła

ciwe „górne motoneurony” kory) z pierwotnej kory (warstwy V)

bezpo

rednimi i po

rednimi drogami korowo-rdzeniowymi i korowo-opuszkowymi tworz

poł

czenia z

dolnymi neuronami ruchowymi.

Płaty czołowe:

Okolica przedczołowa:

9,10,11,12,48

Okolica

przed

rodkowa:

4 (ruchowe)

6 (przedruchowe)

44 (wieczkowe)

8 (czołowe po

rednie)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

74/113

Dywergencja motoneuronów pierwotnej kory ruchowej•Jeden motoneuron pierwotnej kory
ruchowej „zaopatruje” kilka mi

ęś

ni i raczej reprezentuje okre

lony ruch. („muscle field” górnego MN)

Konwergencja neuronów pierwotnej kory ruchowej•„pola” kory ruchowej, z których obserwowano
pobudzanie tych samych mi

ęś

ni (EDC= extensor digitorum communis)

„Strojenie” kierunkowe UMN pierwotnej kory ruchowej
Niektóre neurony pierwotnej kory ruchowej wykazuj

ró

stotliwo

ść

potencjałów czynno

ciowych

w zale

ci od kierunku zamierzonego ruchu.

Kora przedruchowa

•Tu równie

mamy do czynienia z „górnymi motoneuronami”

•Zwrotne (dwustronne) poł

czenia mi

dzy kor

przedruchow

i pierwotn

kora ruchow

•Kora przedruchowa komunikuje si

bezpo

rednio poprzez drogi korowo-rdzeniowe, w których

włókna z kory przedruchowej stanowi

ok. 30%

•Wyró

niamy boczn

i przy

rodkow

kor

przedruchow

Kora przedruchowa: boczna i przy

rodkowa•Ogólnie w korze przedruchowej przebiega

proces

selekcji (wyboru?)

akcji

planowanie, inicjowanie i ukierunkowywanie ruchów dowolnych.ruchowej,

•Boczna kora przedruchowa

: du

a asocjacja aktywno

ci neuronalnej w zale

ci od kierunku

(

zamierzonego

) ruchu i znacznie wcze

niej przed wykonaniem ruchu (podobnie jak w korze

pierwotnej ale tutaj jest to zwi

zane z warunkowanymi zadaniami motorycznymi, np..

warunkowanymi bod

cami wzrokowymi lub słuchowymi). Uszkodzenie kory przedruchowej u

człowieka mo

e te

prowadzi

do trudno

ci w wykonywaniu zada

wyznaczanych werbalnie

•Przy

rodkowa kora przedruchowa

: równie

prowadzi „selekcj

” (= wybór z dost

pnych,

wykonywalnych) zada

ruchowych ale raczej inicjowanych przez bod

ce wewn

trzne (np.

odtworzenie ruchu „z pami

ci”) ni

zewn

trzne (u małpy z uszkodzeniem kory przedruchowej

przy

rodkowej obserwuje si

redukcj

ruchów „spontanicznych” przy zachowaniu ruchów

stymulowanych bod

cami zewn

trznymi – warunkowanych). Aktywno

ść

neuronów znacznie

wyprzedza aktywno

ść

ruchow

podobnie jak w korze przedruchowej bocznej.

Droga korowo-rdzeniowa/opuszkowa (inicjacja ruchów dowolnych)Droga korowo-czerwienna
Poprzez szlak czerwienno-rdzeniowy wspomaga kontrol

ruchów r

Droga korowo-opuszkowa
Droga korowo-rdzeniowa boczna (skrzy

owana) -(zawiaduje mi

ęś

niami odsiebnymi r

Droga korowo-rdzeniowa przednia (zawiaduje mi

ęś

niami osiowymi tułowia i proksymalnymi)

Nowy pogl

d na mechanizm „o

rodkowego” pora

enia nerwu twarzowegoObszar ruchowy w

przednim zakr

cie obr

czy unerwia obustronnie cz

ęść

dra n.VII dla górnej cz

ęś

ci twarzy

Bezpo

rednie (droga korowo-rdzeniowa) i po

rednie poł

czenie kory z

rdzeniem
Poł

czenie po

rednie:

Poprzez j.czerwienne do mi

ęś

ni dystalnych r

Poprzez twór siatkowaty do mi

ęś

ni osiowych i proksymalnych (wspomaganie utrzymania

równowagi wyprzedzaj

ce zamierzony ruch ).

Twór siatkowaty

Czasowa i przestrzenna koordynacja ruchu

rodek licznych odruchów (np.połykania, kichania,

ucia)

Kontrola snu i czuwania
Kontrola pracy serca
Regulacja oddychania

•Górna cz

ęść

t.siatkowatego odgrywa

rol

moduluj

(kontrola stanu

wiadomo

ci i czuwania),

ponadto j.szwu, j miejsca sinawego, wpływaj

na liczne obszary przodomózgowia).

•Dolna cz

ęść

pełni

rol

„premotoryczn

”

koordynuj

ruchy trzewne i somatyczne (np., oddechowe,

akcj

serca,

ucie, ekspresje twarzy, odruchy wymiotne, ziewania, kichania, czkawki, połykanie).

•Te liczne stereotypowe czynno

ci motoryczne maj

w obr

bie tworu siatkowatego „dedykowane”

obwody neuronalne czyli tzw. CPG (central pattern generators).
Twór siatkowaty w kontroli postawy – antycypacja skutków ruchu i dostosowanie napi

cia

ęś

ni wyprzedzaj

ce zamierzony ruch („anticipatory maintenance of body posture” )

•Eksperymentalne uszkodzenie włókien korowo-rdzeniowych (drogi bezpo

redniej) powoduje u

naczelnych małp zanik precyzyjnych ruchów r

ki z zachowaniem kontroli postawy.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

75/113

dro czerwienneWysyła aksony do bocznych stref motoneuronów i neuronów wstawkowych odcinka

szyjnego rdzenia – (ruchy r

k).

Motoneurony kontroluj

ce ruchy głowy (tractus tectospinalis).

„Adresatami” neuronów j

der przedsionkowych s

głównie mi

ęś

nie tułowia i ksobne mi

ęś

nie

czyn (równowaga i kontrola poło

enia ciała).

•„Spastyczno

ść

”

– (wzrost napi

cia mi

ęś

niowego, wygórowanie odruchów i klonusy):

•Prawdopodobnie spowodowana przerwaniem hamuj

cego oddziaływania kory na j

dra

przedsionkowe i tworu siatkowatego
•Eksperymentalnie łagodzono spastyczno

ść

uszkadzaj

c j

dra przedsionkowe oraz korzonki tylne

nerwów rdzeniowych (osłabienie „gain” dla odruchów rozci

gowych)

dra podstawy

•J

dra podstawy s

formacj

blokuj

niepo

Ŝą

dan

aktywno

ść

kory ruchowej

a jednocze

nie przygotowuj

górne motoneurony do wykonania i inicjacji ruchu („priming”).

•Aby program ruchowy mógł by

zainicjowany konieczne jest

zablokowanie tonicznej aktywno

hamuj

cej

(„dysinhibicja”)

pallidum lub

(w przypadku sakkadowych i innych ruchów oczu) inhibicja

pars reticulata s.nigra

cych głównymi „outputowymi” o

rodkami j

der podstawy.

Drogi „wej

cia” do zwojów podstawy

•J.ogoniaste i skorupa s

„bramami wej

ciowymi” j

der podstawy

•„Input” pochodzi z niemal całej kory oraz z s.czarnej (wyj

tki to pierwotne kory wzrokowe i

słuchowe)

•(tzw. corticostriatal pathway”)

•J

dro ogoniaste

otrzymuje sygnały z kor asocjacyjnych („multimodalnych”) oraz z tzw. czołowej kory

wzrokowej.

•Skorupa

otrzymuje sygnały z pierwotnej i wtórnej kory czucia somatycznego, z „pozapr

ąŜ

kowanej”

kory wzrokowej, z kory ruchowej i przedruchowej oraz słuchowej kory asocjacyjnej z płata
skroniowego.

•Równie

w j

drach podstawy mo

na mówi

o „reprezentacjach” ruchowych okre

lonych

ęś

ci ciała w postaci „pasm” neuronalnych (tzw. striosomów) uło

onych w kierunkach

przednio-tylnych.

•Komórki kolczyste otrzymuj

impulsacj

z pars compacta i z interneuronów wzgórza.

Aktywno

ść

komórek kolczystych typowo jest bardzo niska ale

pojawia si

przed wykonaniem

ruchu

(w j

drze ogoniastym ruchu oczu a w skorupie ruchu ciała).

[koduj

raczej decyzj

celu

ruchu]

Rola j

der podstawy w funkcjach

niemotorycznych•Pami

ęć

proceduralna

•Ró

ne funkcje niemotoryczne

•P

tla „okoruchowa”

–Modulacja aktywno

ci czołowego pola ocznego

•P

tla przedczołowa

–Rola w zaburzeniach kognitywnych towarzysz

cych np. Ch.Parkinsona

–

W zesp. Tourette, (nadmierna aktywacja przedczołowych pól zwi

zanych z mow

)

•P

tla limbiczna

–Zaburzenia emocjonalne i motywacji

–Schiozofrenia

–? zaburzenia obsesyjno-kompulsywne (jest to wg mnie swoisty odpowiednik „pl

sawicy

lowej”? pogl

d własny)

Czy „hypokognicja” to analog hypokinezy ?

– czy „my

lenie” nie jest dla j

der podstawy jeszcze jedn

form

ruchu?...

Pytania póki co bez

odpowiedzi…

Rola mó

ku w kontroli ruchu

Główne „wej

cia” do mó

ku (dolne i

rodkowe

konary)
Główne „wej

cia” do mó

ku (dolne i

rodkowe konary)

Z kory mózgu:

Kora czołowa (pierwotna i wtórna ruchowa)
Kora ciemieniowa (pierwotna i wtórna czuciowa-somatyczna, wtórna wzrokowa)
Kora obr

czy (limbiczna)

Z innych okolic:

Rdze

gowy (kolumny Clarka)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

76/113

dra czerwienne

Wzgórki górne
J

dra przedsionkowe

Twór siatkowaty

Dolne j

dra oliwki

Locus coeruleus

Somatotopowa organizacja kory mó

ku w spinocerebellum

Reprezentacja somatyczna w korze mó

ku jest zgodna co do strony ciała!Uszkodzenie przedniej

ęś

ci robaka (w alkoholizmie) powoduje zaburzenia chodu (ko

czyny dolne)

Drogi „wyj

ciowe” z mó

- Kora ruchowa (poprzez brzuszno-boczn

ęść

wzgórza -VL

thalamus)
- J

dra czerwienne

- Wzgórki górne
- Twór siatkowaty
- J

dra przedsionkowe (bez po

rednictwa j

der gł

bokich mó

ku)

Znaczenie obwodów mó

kowych w uczeniu si

poprzez „korekcj

bł

du”

•Wg

modelu Masao Ito i wsp. „koincydencja” sygnału na synapsach włókien równoległych i sygnału
„bł

du” z włókien pn

cych prowadzi do LTD i jest to mechanizm „uczenia si

”

•LTD na komórkach Purkinjego wywołuje dysinhibicj

poniewa

w efekcie „hamowane s

hamuj

ce” komórki Purkinjego

•Przykład cyklicznej aktywno

ci kk.Purkinjego – diadochokineza

•

Przykłady zale

nego od mó

ku uczenia si

przez korekt

bł

du:

–Eksperyment z cz

ęś

ciowym „podci

ciem” mi

ęś

nia odwodz

cego jednego oka – adaptacja sakkad

do nowej sytuacji
–Odruch przedsionkowo-oczny (utrzymuj

cy fiksacj

oczu na obserwowanym obiekcie w trakcie ruchu

głowy) – adaptacja zakresu ruchu oczu po nało

eniu okularów „pomniejszaj

cych”

Obie nauczone „umiej

tno

ci” (adaptacje) znikaj

lub s

nieosi

galne po uszkodzeniu robaka-

mó

Pamięć proceduralna:

podukład „móŜdŜkowy”

Model uczenia si

mó

kowego

(ruchowego) Marra, Albersa i Ito
U królika mó

ek zaanga

owany jest w:

odruch zamykania powieki (tzw. migotki) i odruch cofania gałki ocznej (w reakcji na podmuch
powietrza w kierunku oka.)

Odruch ten mo

na warunkowa

np.

dzwonkiem

uruchamianych tu

przed dmuchni

ciem.

k aktywuje synapsy mi

dzy włóknami równoległymi i kk.Purkinjego.

Sygnał dmuchni

cia dociera do kk Purkinjego poprzez włókna pn

ce.

Koincydencja dzwonka i dmuchni

cia powoduje wytwarzanie LTD na synapsach włókien

równoległych i kk Purkinjego.
Zmniejszenie pobudliwo

ci komórek Purkinjego powoduje wzrost

sygnału z mó

ku do mi

ęś

ni gałki ocznej

(„hamowanie hamuj

cych” kk.Purkinjego)

Dalsze trenowanie odruchu warunkowego doprowadza do szybszej odpowiedzi której czas
wyst

pienia zostaje zoptymalizowany do maj

cego wyst

dmuchni

cia

Objawy uszkodzenia mó

•Zaburzenia koordynacji ruchowej

•Zaburzenia ruchów r

k (dysdiadochokineza, dysmetria, dr

enie zamiarowe)

•Oczopl

•Zaburzenia chodu,
•Zaburzenia mowy

Mó

ek to nie tylko ruch•Wiele danych wskazuje równie

e mó

ek w ró

ny sposób moduluje

procesy kognitywne, np. zwi

zane z mow

, kontrol

afektów, pami

robocz

! W rezultacie

uszkodzenie mó

ku mo

e prowadzi

do osłabienia zdolno

ci intelektualnych

•(czy

by mo

na było mówi

o „dysmetrii my

li”?).

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

77/113

Analogie wojskowe neuronalnej kontroli ruchu: system hierarchiczny (ale
bardzo nowoczesny)

•„Pi

tra dowodzenia” - rozkazy na poziomie operacyjnym, zwi

zków

taktycznych, oddziałów i pododdziałów, dru

yn…

•System „dowodzenia” bardzo elastyczny („armia XXI-wieku”) –
–Mo

liwo

ść

bezpo

redniego „dowodzenia” niewielkimi „pododdziałami” wykonuj

cymi zadania

specjalne (np. ruchy palców)
–Mniej precyzyjne dowodzenie „mas

ciała” (mi

ęś

niówka „osiowa”)

–Na ka

dym poziomie oddziały posiadaj

Ŝą

niezale

ść

i mo

liwo

ść

dopasowania do „sytuacji

pola walki” (input czuciowy modyfikuje działanie motoneuronów)
–„Armia” dowodzona jest w oparciu o doskonale wyuczone i „wbudowane” schematy współdziałania
(CPG)

Kontrola ruchów oczu

Typy ruchów oczu:
•–Stabilizuj

ce wzrok

•Ruchy przedsionkowo-oczne (vestibulo-ocular m. sygnał ruchu z przedsionka)
•(Ruchy optokinetyczne – sygnał ruchu z fotoreceptorów)
–Wodz

ce wzrok (gaze-shifting)

•Ruchy sakkadowe (saccades)
•Jednostajne ruchy wodz

ce/

ledz

ce (smooth pursuit m.)

–Ruchy zbie

ne (vergence m.)

Nerwy kontroluj

ce ruchami oczu

N. III prowadzi włókna tak

e do d

wigacza powieki oraz włókna parasympatyczne z j. Westfal-

Edingera

Technika stabilizacji obrazów na siatkówce:

obraz stabilizowany gwałtownie zanika
(adaptacja siatkówki? zapewne konieczno

ść

„od

wie

ania”?)

Mechanizm korowy tzw. transferu mi

dzyocznego czyli osłabienia percepcji w drugim oku przy

stabilizacji obrazu.

Wodzenie:

Ruch dowolny,
Bez okre

lonego „celu” jest trudny do wykonania (zwykle wtedy wyst

puje sakkada)

Tzw. (prawidłowy) oczopl

s optokinetyczny jest cykliczn

sekwencj

wodzenia i szybkiej

„powrotnej” sakkady.

Sakkady:
Mog

inicjowane dowolnie ale wyst

puj

odruchowo.

200ms opó

nienia potrzebne na „obliczenie” zakresu ruchu

Maj

„balistyczny” charakter (Tak jak w przypadku rakietowego pocisku balistycznego po

„odpaleniu” nie mo

na ju

zatrzyma

ani „przekierowa

”).

Wyst

puj

w fazie REM

Kontrola ruchów sakkadowych
•Informacja neuronalna musi kodowa

kierunek i amplitud

(zakres) ruchu.

•Amplituda ruchu kodowana jest w cz

stotliwo

ci wyładowa

w nerwie poruszaj

cym oko (na ryc.

N.VI)
•Kierunek ruchu wyznaczaj

dwa osobne o

rodki w tworze siatkowatym pnia:

–Paramedian pontine reticular formation PPRF (= o

rodek kontroli spojrzenia w bok, horizontal

gaze center)
––Rostral interstitial nucleus (vertical gaze center, o

rodek kontroli spojrzenia w pionie)

Ruch oczu w prawo

•W j

drze n.VI oprócz alfamotoneuronów s

neurony „mi

dzyj

drowe” wysyłaj

ce aksony do cz

ęś

j.n.III dla mi

ęś

nia prostego przy

rodkowego (poprzez p

czek podłu

ny przy

rodkowy)

•Aktywacja prawego PPRF prowadzi do spojrzenia w prawo

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

78/113

•Poprzez neurony wstawkowe tworu siatkowatego nast

puje hamowanie mi

ęś

ni przeciwstawnych

(podobnie jak w rdzeniu)

Wpływ wzgórków górnych

Wraz z czołowym polem ocznym kodowanie kierunku (poło

enia) okre

lonego (interesuj

cego)

punktu w polu widzenia (mapa pola widzenia).
Wzgórki górne zawieraj

mapy przestrzenne dla (kierunków) bod

ców słuchowych oraz

czucia somatycznego. Pozwala to np. na nakierowywanie głowy w zale

ci od

napływaj

cych bod

ców

Wzgórki górne maj

poł

czenia z o

rodkami skojarzonego spojrzenia po drugiej stronie.

Siatkówka nie jest ani konieczna ani wystarczaj

ca do inicjacji sakkady.

„Zarz

dzanie” - bezpo

rednie ruchem oczu

- po

rednie – przez wzgórki górne

Oba o

rodki kontroli ruchów oczu (korowy i wzgórki) wzajemnie si

uzupełniaj

i cz

ęś

ciowo

mog

wzajemnie kompensowa

uszkodzenia.

Nie s

jednak równorz

dne: uszkodzenie kory powoduje niemo

liwo

ść

dowolnej sakkady w kierunku

obiektu, który znikn

ł z pola widzenia oraz tzw. antysakkad

(niemo

liwo

ść

„oderwania” wzroku od

obiektu, który stymulował sakkad

). Czołowa kora oczna jest istotna dla skanowania pola widzenia i

wyławiania interesuj

cych obiektów.

„

lepota zmian” („change blindness”)•Zjawisko obserwowane głównie (ale nie tylko) w czasie

ruchów sakkadowych oczu
•

Ruchy oczu w pionie

•Slow vertical saccades in motor neuron disease: correlation of

structure and function. ‘Averbuch-Heller L i wsp. Ann Neurol.'); 1998 Oct;44(4):641-8 Postmortem
examination in both patients demonstrated cell loss in the rostral interstitial nucleus of the medial
longitudinal fasciculus (riMLF)
•Study of the rostral midbrain atrophy in progressive supranuclear palsy.
Kato N i wsp J Neurol Sci. 2003 Jun 15;210(1-2):57-60. Rostral midbrain atrophy in progressive
supranuclear palsy (PSP) is detected by mid-sagittal plain magnetic resonance imaging (MRI).
The shape of the atrophy looks like

the bill of a hummingbird (hummingbird sign).

•

Ruchy oczu stabilizuj

ce wzrok•Ruchy przedsionkowo-oczne

(vestibulo-ocular m. sygnał ruchu z

przedsionka)
–Dostosowuje kierunek osi optycznej oczu kompensuj

c ruch głowy (wykorzystuje informacj

bł

dnika)

–Jednak po zablokowaniu dopływu

wiatła ruch zanika po ok.. 30 sek

–Ponowne np. otwarcie oczu wznawia ruch korekcyjny ale jest on inicjowany na podstawie obrazu
(jest to ruch optokinetyczny (zob. ni

ej)

•(

Ruchy optokinetyczne

– sygnał ruchu z fotoreceptorów)

–W warunkach normalnych współdziała z ruchem przedsionkowo-ocznym

Ruchy zbie

ne (vergence m.)•Cz

ęść

odruchowej „triady” adaptuj

cej wzrok do ogl

dania

przedmiotów z bliska:
–1. ruch zbie

ny, 2. akomodacja soczewek, 3. zw

ęŜ

enie

renic (wi

ksza gł

bia ostro

ci)

Zaburzenia ruchów oczu w praktyce klinicznej!•Zanik wieloukładowy (z.Shy-Drager)
•Zwyrodnienie korowo-podstawne
–(pora

enie nadj

drowe ruchów oczu)

•
Ch. Steele’a-Richardsona-Olszewskiego
–pora

enie pionowych ruchów gałek ocznych, zaburzenia ruchów sakkadowych, pora

enie

rzekomoopuszkowe i cz

ste upadki w pierwszym roku choroby,

Gdzie mog

znajdywa

„najwy

sze” pi

tra kontroli i koordynacji ruchu?

Koncepcja tzw.

„action system”,

(Rothi, Ochipa i Heilman 1991) który ma by

najwy

szym pi

trem

kontroli i koordynacji ruchu. – („idee ruchu” ?…)
•Wg w/w autorów plany-wzorce ruchu w postaci tzw. „praxiconów” (rodzaj engramu pami

ciowego)

zakodowane s

głównie w lewej korze ciemieniowej.

•S

to jakby przestrzenno-czasowe „idee” okre

lonego wyuczonego ruchu.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

79/113

•„idee” ruchu s

przesyłane do kory przedruchowej, •gdzie s

„rozkodowywane” na rozkazy dla

okre

lonych grup mi

ęś

niowych i •przesyłane do pierwotnej kory ruchowej a w przypadkach ruchu

czyny lewej przekazywane poprzez spoidło wielkie do prawej kory przedruchowej (i potem prawej

kory ruchowej)

„Najwy

szy” neuron ruchowy (?) by

e tam, gdzie uszkodzenie prowadzi

do apraksji??

•Apraksja (dyspraksja) typy wg Merritt’a

–Ruchowa-kinetyczna:
•Uszkodzenie kory przedruchowej i innych okolic asocjacyjnych, osłabiona umiej

tno

ść

posługiwania

przedmiotami

–Ideacyjna-czuciowa :
•Odpowiednik afazji czuciowej
•Brak „planu motorycznego” zło

onych czynno

ci przy zachowaniu spontanicznych czynno

ci;

uszkodzenie tylnej cz

ęś

ci półkuli dominuj

cej

–Ideo-motoryczna- kondukcyjna
•Zachowane ruchy spontaniczne ale upo

ledzone ruchy wykonywane na polecenie (cz

sto

spotykana, cho

umykaj

ca w badaniu)

•Odpowiednik afazji kondukcyjnej
•Typowo w ko

czynach kontrolowanych przez półkul

niedominuj

przy uszkodzeniu półkuli

dominuj

cej

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

80/113

Autonomiczny Układ Nerwowy

•Układ autonomiczny (trzewny):
–Walter Gaskell i John Langley (XIX w) z Cambridge
–Walter Cannon (pocz

tek XX w) z Harvardu

Sympatyczne unerwienie gruczołów potowych jest cholinergiczne

Gruczoły potowe, rdze

nadnerczy i mi

ęś

nie piloerekcyjne otrzymuj

niemal wył

cznie

unerwienie sympatyczne

•Zwoje układu parasympatycznego le

Ŝą

bli

ej unerwianych narz

dów

•Neurony zwojów parasympatycznych w porównaniu z komórkami zwojowymi zwojów sympatycznych
maj

bardzo nieliczne dendryty (mniejsza konwergencja)

•Mniejsza jest te

dywergencja parasympatycznych neuronów przedzwojowych

•Autonomiczny (=trzewny) układ nerwowy

–Komponenta motoryczna
•Unerwienie sympatyczne (współczulne) i parasympatyczne (przywspółczulne) narz

dów

–Komponenta czuciowa

•Dostarcza informacji („input”) słu

Ŝą

c lokalnym obwodom odruchowym reguluj

cym funkcjonowanie

narz

dów

•Dostarcza informacji („input”) do wy

szych koordynacyjnych o

rodków układu autonomicznego

•Komponenta czuciowa

autonomicznego układu nerwowego („czucie trzewne”)

–W porównaniu z neuronami czucia somatycznego neurony czucia trzewnego s

mniej liczne

(prawdopodobnie co najmniej 10x) - st

d znacznie mniej dokładna lokalizacja bólu trzewnego. Bardzo

niewiele z impulsacji czuciowej trzewnej dochodzi do

wiadomo

ci.

–J

dro pasma samotnego (=JPS) (n.tr.solitarius)

rdzenia przedłu

onego (głównie cz

ęść

kaudalna)

jest zasadniczym „hubem” „autonomicznej” informacji czuciowej (jego cz

ęść

rostralna nale

y do

drogi czucia smaku)

–„pierwszorz

dowe trzewne neurony czuciowe” (I-rz n.)

•Aferenty czuciowe j

dra pasma samotnego pochodz

–komórek zwojów korzonków grzbietowych (w których s

komórki przewodz

ce czucie

somatyczne). Obwodowe aksony ko

ce si

czuciowymi zako

czeniami (wra

liwe na ró

modalno

ci np. nocyceptory, rozci

ganie, ci

nienie) lub docieraj

ce do receptorów czuciowych

(chemoreceptory) biegn

razem z nerwami sympatycznymi.

–zwojów czuciowych n.X i n.IX (aksony docieraj

do j

dra pasma samotnego)

–„drugorz

dowe trzewne neurony czuciowe”(II-rz.n.) – (ich aksony docieraj

do) : a) j

dra pasma

samotnego, b) brzuszno-tylnej cz

ęś

ci wzgórza c) tworu siatkowatego) d) – aksony z neuronów

regionu kanału centralnego rdzenia ł

z powrózkami tylnymi (nowopoznana droga

trzewnego czucia bólu!).

Do II-rz. trzewnych neuronów czuciowych nale

Ŝą

•Neurony rogów tylnych

(cz

ęść

aksonów I-rz.neuronów konwerguje na neuronach czucia

somatycznego co stanowi podło

e „bólu odniesionego” ponadto cz

ęść

aksonów autonomicznych I-

rz.neuronów czuciowych ko

czy si

w rogach bocznych rdzenia w strefach autonomicznych neuronów

przedzwojowych – stanowi

ęść

autonomicznych łuków odruchowych „trzewno-trzewnych”)

•Neurony w okolicy kanału centralnego rdzenia (ich aksony zob. wy

ej podpunkt „d”)

•O

rodki układu autonomicznego w mózgu tworz

„o

rodkow

sie

autonomiczn

”

odpowiedzialn

m.in. za odczucia i odpowiedzi „autonomiczno-emocjnalne”:
–Tylna cz

ęść

kory wyspy (czuciowy input autonomiczny)

–Przy

rodkowa kora przedczołowa (motoryczny o

rodek układu autonomicznego ?)

–Podwzgórze

(centrum koordynacyjne układu autonomicznego-trzewnego) – zarz

dza poprzez

–o

rodki autonomiczne układu siatkowatego (centrum wielu łuków odruchowych kontroluj

cych prac

serca, reakcje seksualne, funkcje oddychania, oddawania moczu, reakcje wymiotne)

•Podwzgórze – obszar ł

cy i integruj

cy układ nerwowy i hormonalny – funkcje:

–Kontrola układu kr

ąŜ

enia

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

82/113

Emocje odczuwanie i ekspresja

•„pierwotne” emocje:

–Zło

ść

–Strach
–Przyjemno

ść

–Smutek
–Obrzydzenie

uwagi na wstepie1. Emocje (reakcje emocjonalne) to główny „nap

d” – (= motywacja) aktywno

ci.

2. Poprzez obserwacj

reakcji emocjonalnych mo

emy pozna

ukryt

prawd

o (drugim) człowieku a

zarazem samemu si

„zdradzi

”.

3. Umiej

tno

ci prawidłowej oceny emocji oraz wpływania na emocje własne i innych decyduj

osobniczym sukcesie społecznym.
4. Nieprawidłowe reakcje emocjonalne cechuj

liczne schorzenia psychiatryczne

5. Nastrój mo

na rozumie

jako „przedłu

ony” stan emocjonalny

•Przeciwstawne teorie emocji :

–James’a-Lange’a (koniec XIX w.): objawy generowane poprzez działanie głównie autonomicznego
układu nerwowego (np.. Uczucie kołatania serca) odczuwamy jako emocj

–Cannon’a-Barda (lata 20-te XX w.): Czynnik postrzegany jako „emocjonalny” (np. widok gro

nego

zwierz

cia) wywołuje reakcj

centralnego układu nerwowego prowadz

do odpowiednich zmian w

funkcji ró

nych narz

dów i reakcji ruchowych – somatycznych (np. ucieczka). Innymi słowy teoria

wskazuje,

e „do

wiadczenie emocjonalne” wyst

puje niezale

nie od reakcji somatycznej (np. po

przeci

ciu rdzenia)

•U

wiadomione i nieu

wiadomione emocje stanowi

istotny (najistotniejszy?) „nap

d”

motoryczny –motywacje zarówno działa

apetytywnych „po

Ŝą

daniowych” (w celu uzyskania

Ŝą

danego dobra lub stanu) jak i unikowych (maj

cych na celu unikanie oddziaływa

i stanów

„awersyjnych”)
•Ekspresja emocji anga

uje cz

ęść

ruchowego układu somatycznego oraz trzewny układ nerwowy

(autonomiczny). Ten ostatni jest szczególnie silnie zwi

zany z ekspresj

i odczuciem emocji

•Dwie główne drogi (bezpo

redniej) ekspresji emocji:

–Reakcje trzewnego ruchowego układu nerwowego (autonomicznego)
–Mimika twarzy

•Istotne składniki układów neuronalnych ekspresji emocji:

–Podwzgórze

i jego poł

czenia z pniem mózgu (

układ siateczkowaty pnia

) oraz

neuronami

przedzwojowymi układu autonomicznego

tworz

zasadnicz

struktur

dzi

ki której nast

puje

skoordynowana reakcja motoryczna ekspresji emocji. (do

wiadczenia Barda z chirurgicznym

uszkodzeniem mózgu wywołuj

cym „sham rage” i Hessa ze elektryczn

stymulacj

struktur

podwzgórza)

–Układ limbiczny (we współczesnym rozumieniu zob. dalej)-

Druga „o

” emocjonalna (cz

ęś

ciowo

„konwerguj

ca” na pierwszej – zob. wy

ej) jest wytworzona przez tzw.

układ limbiczny

, równie

cy si

z pniem mózgu (twór siateczkowaty) oraz neurony przedzwojowe układu autonomicznego.

••Odczucie okre

lonego stanu emocjonalnego jest

le zwi

zane nie tylko z aktywno

„układów

emocji” w mózgu ale równie

z „inputem” z narz

dów wewn

trznych i czucia somatycznego.

(Koncepcja James’a i Lange’a z pocz

tku XXw. zakładała,

e emocje to tylko odczucie wewn

trznych

stanów narz

dów np. kołatanie serca, pocenie, etc)

•Przykład „obustronno

ci” zwi

zku „emocjonalnego umysłu” i ciała:

–Wyobra

enie stanu emocjonalnego

→

„obwodowe” zmiany „emocjonalne” (np. wzrost akcji serca,

pocenie si

itp.) [techniki biofeedback?? Zdolno

ci fakirów??]

–„Instrumentalne” (według instrukcji czysto mechanicznej) wytwarzanie emocjonalnego wyrazu twarzy

→

„obwodowe” zmiany „emocjonalne” (zgodne z mimik

). [aktor mo

e znacznie gł

biej „wczuwa

”

w rol

…?]

•Wywołanie ekspresji „totalnej agresji-w

ciekło

ci” („sham rage”) u zwierz

cia

Usuni

cie półkul mózgowych z pozostawieniem podwzgórza wywołuje „sham rage” .

Podobne rezultaty daje dodatkowe (oprócz kory mózgu) usuni

cie przedniej cz

ęś

ci podwzgórza.

li dodatkowo i tylna cz

ęść

podwzgórza jest usuni

ta nie ma efektu w postaci „sham rage”.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

83/113

•Twarz jest zasadniczym „medium” emocji •Na twarzy „maluj

” si

emocje…

•Osobna wolicjonalna i emocjonalna kontrola neuronalna motoryki twarzy.

•Badania Duchenne doprowadziły do stwierdzenia,

e cz

ęść

motoryki twarzy podległa jest woli (tzw.

„u

miech piramidowy”) a cz

ęść

nie (ekspresja emocji – „u

miech Duchenne”).

•Rola układu limbicznego w ekspresji emocji
•Układ limbiczny w rozumieniu „klasycznym” (plus tzw.

≈

„obwód Papez’a” 1937):

–Układ limbiczny w „klasycznym” rozumieniu obejmuje ciała suteczkowate, sklepienie, zakr

ty obr

czy

i parahipokampalne wraz z hipokampem. Ponadto wg Papeza j

dro przednie-grzbietowe wzgóza.

Obecnie przewa

pogl

e z wymienionych struktur „układu limbicznego” tylko zakr

t obr

czy

bierze istotny udział w „kontroli” emocji.

•Układ limbiczny w rozumieniu współczesnym (cz

ęść

„emocjonalna”) :

–1. Zakr

ty nadoczodołowe oraz przy

rodkowa kora przedczołowa

–2. Brzuszna cz

ęść

der podstawy

–3. Przy

rodkowo-grzbietowe (n.mediodorsalis) j

dro wzgórza

–4. Ciało migdałowate
–Zakr

t obr

czy

–Cz

ęść

podwzgórza

–(1,2,3,4 tworz

układ silnych poł

cze

) zob slajd dalej

UWAGA:
Do układu limbicznego zalicza si

równie

zakr

t parahipokampalny z hipokampem oraz

c.suteczkowate podwzgórza i sklepienie ale nie maj

zwi

zku z emocjami

•Zespół Kl

ver-Bucy

zaobserwowany u małp po wyci

ciu obu płatów skroniowych•Małpy wykazywały

agnozj

wzrokow

, (cho

nie były

lepe), nadaktywno

ść

(szczególnie seksualn

i w eksploracji

otoczenia typowo z udziałem ust), stawały si

całkowicie

„

potulne

”

bez l

ku przed cz

owiekiem i

ęŜ

em, oboj

tne na cokolwiek było z nimi robione.

•Pó

niej okazało si

e wystarczy usun

ąć

ciała migdałowate•John Downer (50-te) po usuni

ciu 1

c.migdałowatego małpie i po przeci

ciu włókien komisuralnych oraz skrzy

owania n.wzrokowych

zaobserwował,

e gdy małpie pozwolono u

ywa

1 oka od strony usuni

tego c.migdałowatego

zachowywała si

„bez emocji” na widok człowieka, gdy ogl

dała człowieka okiem od strony

nieuszkodzonego c.migd. wykazywała typow

agresj

. Agresywnie reagowała jednak na bod

czucia somatycznego niezale

nie od strony dra

nionej.

Poł

czenia c.migdałowatego z przedczołowa kor

daj

dost

p m.in. do

kognitywnych o

rodków mózgu co integruje emocjonalne znaczenie bod

ców

–Cz

ęść

afektywno-emocjonalnej drogi przewodzenia bólu obejmuje c.migdałowate.

•N.parabrachialis wysyła aksony do c.migdałowatego i podwzgórza („o

rodki” emocji i motywacji)

oraz do substancji szarej okołowodoci

gowej, która odgrywa rol

w kontroli aktywno

ci szlaków bólu.

Ponadto n.parabrachialis bierze te

udział w kontroli oddychania (wzmo

enie w strachu).

–Grupa przy

rodkowa j

der c.migdałowego ma poł

czenia z opuszk

chow

i kor

chow

–Grupa podstawno-boczna ma poł

czenia z kor

przedczołow

(zakr

ty oczodołowe i

przy

rodkow

), asocjacyjn

kor

przedniej cz

ęś

ci płata skroniowego oraz z brzuszn

ęś

der podstawy i n.mediodorsalis thalami.

–Grupa centralna ma poł

czenia z podwzgórzem, pniem mózgu (m.in. z dopaminergiczn

tzw

VENTRAL TEGMENTAL AREA, noradrenergicznym n.l. coeruleus, oraz z n.parabrachialis,
n.tr.solitarius)

(Stria terminalis

czy c.migdałowate z podwzgórzem

Ponadto poł

czenie to zapewnia równie

tzw.

ventral amygdalofugal pathway)

•Ciało migdałowate nadaje znaczenie emocjonalne bod

com czuciowym (do

wiadczenia na

szczurach i królikach).

•Badania na szczurzym modelu reakcji (na d

k) warunkowanej strachem

•Ciało kolankowate jest niezb

dne do wytworzenia odruchu warunkowanego na bodziec słuchowy

•Kolejne uszkodzenia pkt 1,2,3: – dopiero uszkodzenie „3” znosi reakcj

strachu (wzrost ci

nienia

tniczego i wyst

pienie „freezing”)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

84/113

•Za reakcj

podniesienia ci

nienia odpowiedzialne s

poł

czenia c.migdałowatego (centralnej

grupy j

der) z podwzgórzem poprzez stria terminalis

•Za reakcje „freezing” odpowiedzialne s

poł

czenia c.migdałowatego (centralnej grupy j

der)

z tworem siatkowatym

ródmózgowia (midbrain)

Rola układów monoaminergicznych w mediacji emocji
•Na bardzo wa

na rol

układów monoaminergicznych wskazuj

m.in. „emocjonalne” efekty ró

nych

substancji np..
–Yohimbina (kora drzewa z Pd Afryki) – antagonista alfa-2-receptora noradrenergicznego prowadzi w
cz

ęś

ci zwierz

t do reakcji panicznych poniewa

wzmaga wydzielanie noradrenaliny poprzez

zablokowanie ujemnego sprz

ęŜ

enia zwrotnego reguluj

cego uwalnianie NE, którego istotnym

elementem jest presynaptyczny receptor alfa-2.
–Odwrotnie działa clonidyna – b

ca agonist

receptora noradrenergicznego alfa-2.

–Rezerpina – obni

ca poziom monoamin wywołuje depresj

–Leki podwy

szaj

ce poziom monoamin s

lekami przeciwdepresyjnymi

–W stanach depresji obserwuje si

obni

enie ilo

ci metabolitów NE (3-metoxy-4-hydroksyfenyloglikol

– MHPG) i serotoniny (kwas 5-OH– indolooctowy – 5-HIAA)
–Redukcja poziomu serotoniny mo

e by

istotna w zachowaniach impulsywnych w tym w próbach

samobójczych.
–W depresji obserwuje si

zmniejszenie aktywno

ci zarówno układów noradrenergicznych jak i

serotoninergicznych
–Główne o

rodki monoaminergiczne graj

ce rol

w emocjach:

–Locus coeruleus – Norpinefryna
–J

dra szwu – serotonina

–Ventral tegmental area oraz s.nigra - dopamina

•AGRESJA

•Agresja (mediowana m.in. przez c. migdałowate) decyduje o pozycji w grupie zwierz

(Do

w. Pribram’a z lat 50-tych – po usuni

ciu c. migdałowatego u dominuj

cej małpy jej pozycja

spadała)
•Próby operacyjnego „leczenia” (przy okazji równie

padaczki) agresji poprzez uszkodzenie

c.migdałowatego. Tzw. psychochirurgia (Egas Moniz – Nobel 1949 r.)
•W agresji obserwuje si

spadek aktywno

ci serotoninergicznej (podobnie jak w depresji)

•Agresja nie koreluje z pozycj

w grupie (usuni

cie samca dominuj

cego u małp prowadzi do

przej

cia dominacji przez samca o sztucznie podwy

szonej aktywno

ci serotoninergicznej co oznacza

samca mniej agresywnego !)

•Typy agresji:
–Agresja “efektywna” - Predatory aggression („silent-biting”)
•Cel – zdobycie po

ywienia

•Cechy: brak wokalizacji, małe zaanga

owanie układu sympatycznego

•System: boczne podwzgórze – medial forebrain bundle – Ventral Tegmental Area
•–Agresja afektywna - Affective aggression
•Cel – „na pokaz”
•Cechy: wokalizacje, znaczna aktywacja układu sympatycznego
•System: przy

rodkowe podwzgórze – fasciculus longitudinalis dorsalis – periaqueductal gray matter

(PAG)

•Ciało migdałowate uczestniczy w nadaniu „emocjonalnej warto

ciowo

ci” (emotional valence)

bod

com czuciowym oraz w asocjatywnym uczeniu si

(opartym na warunkowaniu – jest to

prawdopodobnie równowa

ne tzw. pami

ci emocjonalnej)

•Asocjatywne uczenie oparte na koincydencji bod

ców (wg modelu Hebb’a) zachodzi w

c.migdałowatym o czym

wiadczy obecno

ść

LTP oraz blokowanie nauczania w reakcji

warunkowanego strachu poprzez podanie antagonistów receptora NMDA

•Przypadek choroby dziedzicznej (autosom.reces.) Urbach-Wiethe:

•Zwapnienia i zniszczenie c.migdałowatego – „agnozja” emocjonalna (rozpoznawanie emocji z
twarzy)
(Chora o inicjałach S.M. badana w latach 90-tych przez grup

Antonio Damasio z Uniw. Iowa)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

85/113

•Zwapnienia w c.migdałowatym – „agnozja” emocjonalna – nie rozpoznawanie (w tym przypadku
negatywnych) emocji z twarzy
•UWAGA! Chorzy z chorob

Urbach-Wiethe nie maj

problemów z rozpoznawaniem twarzy „jako

takiej” (nie maj

cech prozopagnozji) a jedynie z rozpoznawaniem emocjonalnego wyrazu strachu

na twarzy ! Prawidłowo rozpoznaj

„pozytywne emocje” na twarzy.

Asymetria „emocjonalna” półkul mózgowych
•W rozpoznawaniu i ekspresji emocji ró

ny jest udział lewej i prawej półkuli mózgu.

•Półkula prawa odgrywa wi

ksz

rol

w percepcji emocji werbalnej (emocjonalny ładunek mowy) –

uszkodzenie tylnej cz

ęś

ci prawego płata czołowego i przedniej płata ciemieniowego prowadzi do tzw.

aprozodii czyli mowy bez emocji (po stronie lewej uszkodzenie tego samego obszaru prowadzi do
afazji Broca)
•Półkula lewa – „o

rodkiem” pozytywnych emocji, półkula prawa – negatywnych

•Prawa półkula lepiej rozpoznaje przejawy emocji na twarzy (np. Przy ekspozycji fotografii twarzy)
•Równie

ekspresja emocji na twarzy jest szybsza po lewej stronie (a zatem „zarz

dzanej” przez

praw

półkul

). St

d sugestia,

e wi

kszo

ść

ludzi jest „lewotwarzowa” (analogia – cho

przeciwstronna do „prawor

czno

ci”)

•Obserwacja twarzy (w tym ekspresji emocji) szczególnie silnie anga

uje ciała migdałowate

•Aktwacja amygdali w te

cie oceny „wiarygodno

ci” obserwowanej twarzy.

•Aktywacja c.migdałowatych jest tym wi

ksza im obserwowana przez badanego twarz na fotografii

mniej budzi zaufania (implicitely) jak te

gdy zadaniem (explicit) jest ocena „wiarygodno

ci”

obserwowanej twarzy

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

86/113

Pamięć uczenie kora asocjacyjna kognicja

NEUROBIOLOGICZNE PODSTAWY PAMIĘCI

Franz Josef Gall (twórca frenologii) w XIX w. uwaŜał, Ŝe kaŜdy z „fakultetów” mózgu („władz umysłowych”)
posiada własny rodzaj pamięci.
Psycholog William James pod koniec XIX w. wprowadził m.in. istotne rozróŜnienie między

pamięcią świeŜą i

pamięcią długotrwałą

(wprowadził teŜ pojęcie „

strumienia świadomości

”).

Pierwsza połowa XX w dziedzinie badań nad pamięcią została zdominowana przez koncepcje
redukcjonistyczne, które sprowadzały pamięć do mechanizmów asocjacyjnych i oparte były takŜe na
behawioralnym podejściu do psychologii.

W latach 60 i 70-tych ugruntowało się przekonanie, Ŝe są róŜne typy pamięci, które realizowane są przez róŜne
wyodrębnione układy w mózgu

NIE ISTNIEJE POJEDYNCZY UNIWERSALNY SYSTEM LUB MECHANIZM PAMIĘCI NATOMIAST
RÓśNE UKŁADY POSŁUGUJĄ SIĘ RÓśNYMI „MECHANIZMAMI PAMIĘCI”
Zjawiska LTP i LTD (LTD szczeg. w móŜdŜku) leŜą u podstaw mechanizmów pamięci.

Kliniczny obraz róŜnych typów chorób otępiennych rzuca światło m.in. na mechanizmy pamięci i funkcji
kognitywnych mózgu.

Np. choroba Alzheimera początkowo manifestuje się głównie zaburzeniami tzw. pamięci deklaratywnej i
pamięci „świeŜej” (hipokamp) natomiast choroba Huntingtona, dotyka głównie pamięci tzw. proceduralnej
(obwody korowo-prąŜkowiowe)

Stadia choroby Alzheimera –
Początkowe dostrzegalne zmiany dotyczą kory śródwęchowej, której neurony (IIw) tworzą główne drogi
doprowadzające hipokampa

•Amnezja retrograde (wsteczna) i anterograde (następcza)

•Przyczny:
–Zamknięcie obu tętnic tylnych mózgu (brak ukrwienia przyśrodkowej części pł. Skroniowch, zwł. hipokampa)
–Guzy obszaru środkowego (zniszczenie obustronne części przyśrodkowej wzgórza)
–Uraz, chirurgiczne wycięcie obustronne przyśrodkowego pł skroniowego (chory H.M.)
–Infekcje (HSV-encephalitis) j.w.
–Niedobór Vit. B1 (zespół Korsakoff’a) (uszkodzenie c.suteczkowatych i przyśrodkowego wzgórza)
–Leczenie elektrowstrząsami (miejsce uszkodzenia niejasne)

NAJWAśNIEJSZE „ZASADY” I MECHANIZMY PAMIĘCI I UCZENIA (Byrne 1987)
1.W mózgu istnieją liczne systemy-układy pamięciowe

2.Krótkotrwałe formy pamięci i uczenia wymagają zmian w istniejących obwodach neuronalnych
3.Te zmiany dotyczą róŜnych mechanizmów komórkowych w obrębie poszczególnych neuronów
4.Zmiany wewnątrzkomórkowe obejmują systemy wtórnych przekaźników
5.Pamięć i uczenie często dotyczy zmian w funkcjonowaniu kanałów błonowych (jonowych)
6.Pamięć długotrwała wymaga syntezy białek podczas gdy pamięć krótkotrwała nie.

PAMIĘĆ KRÓTKOTRWAŁA I DŁUGOTRWAŁA (William James k.XIX)

Pamięć krótkotrwała

(STM, „świeŜa”): ograniczona pojemność, utrzymuje się przez krótki czas, ulega

osłabieniu przez nowe zdarzenia, zaburzana przez anestetyki i oziębienie mózgu ale nie jest zaburzona w
amnezji, często utoŜsamiana z tzw. „pamięcią roboczą” (working m.)

Jednym z istotnych elementów tej pamięci jest tzw.

Pętla fonologiczna

(wymaga aktywności lewej

półkuli; zapewnia zrozumienie dźwięków tworzących wyrazy i zdania, dzięki czemu rozumiemy mowę) oraz

pętla wzrokowo-przestrzenna

(prawa półkula)

Pamięć długotrwała

(LTM, odległa): zachowuje „engramy” doznań przez bardzo długi czas. Jest uszkodzona w

wyniku amnezji ale odporna na anestetyki
Relacje STM i LTM nie są jasne (dwie moŜliwości: 1: LTM jest wynikiem tzw. Konsolidacji STM, 2: LTM jest
wynikiem selekcji STM)

Nie tylko uszkodzenie hipokampa wywołuje zaburzenia pamięci

Główna projekcja wychodząca z hipokampa

poprzez sklepienie dociera do ciał suteczkowatych, mających połączenia z

jądrami przednimi wzgórza (tractus

mammillothalamicus)

Kora skroniowa i c.migdałowate maja połączenia z

jądrem grzbietowo-przyśrodkowym wzgórza

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

87/113

Obustronne uszkodzenia tych struktur wywołują róŜne zaburzenia pamięci ale

tylko łączne ich uszkodzenie

wywołuje cięŜkie zaburzenia pamięci niekiedy zbliŜone do pacjenta H.M.
W zespole Korsakoffa (amnezja wsteczna i następcza) uszkodzenie dotyczy c.suteczkowatych i jąder
grzbietowo-przyśrodkowych wzgórza na skutek niedoboru wit B1 (w alkoholizmie)

Uszkodzenie c.migdałowatego

u zwierząt prowadzi do zaniku zdolności do nauczenia warunkowej reakcji

strachu (po dźwięku następuje szok elektryczny – zwierzę reaguje złoŜoną reakcją układu autonomicznego,
hormonalnego i objawami behawioralnymi strachu) (zaburzenie „

pamięci emocjonalnej

”)

Cohen i Squire w 1980 wprowadzili rozróŜnienie: pamięci proceduralnej i pamięci deklaratywnej uwaŜając,
Ŝe są one realizowane przez osobne układy w mózgu.

Jeden z tych układów (moŜna nazwać „proceduralnym”) jest odpowiedzialny za tworzenie i doskonalenie
zdolności „zręcznościowych”. Pamięć rozłączona (w całości lub częściowo rozłączona) ze świadomością
(„nieświadoma”) róŜne układy i sekwencje warunkowane (przykład nauki gry w piłkę, gry na fortepianie)
Drugi z układów („deklaratywny”) odpowiada za kodowanie, magazynowanie i przywoływanie faktów i
wydarzeń. Pamięć polegająca na zdolności do

przypomnienia-przywołania

zdarzeń nie pozostających w

prostej kontynuacji bieŜącej świadomej obserwacji mijających chwil i zdarzeń w tych chwilach

Daniel Schacter wprowadził zasadniczo „kompatybilne” do powyŜszych pojęć Cohena i Squire pojęcia implicit
(p.proceduralna) i explicit (p.deklaratywna) ekspresji pamięci.

Pamięć deklaratywna („explicit”)

”” mieści się”” (jest krytycznie związana z) w przyśrodkowym obszarze płata

skroniowego oraz w centralnych obszarach międzymózgowia (diencencephalon)

Pamięć proceduralna („implicit”)

jest związana z róŜnymi układami mózgu wyspecjalizowanymi w róŜnych

funkcjach poznawczych i motorycznych

Kategorie jakościowe pamięci

•Pamięć deklaratywna (cz.przyśrodkowa pł. skroniowych

–Zdarzenia
–Słowa i ich znaczenie
–Historia

•Pamięć nie-deklaratywna (raczej niezaleŜna od pł skroniowych (cz. Przyśrodkowej)

–Zręczności ruchowe
–Asocjacje (kojarzenia)
–Priming cues(to co uprzednio poznalismy wpływa na odbiór następnych informacji)
–Puzzle-solving skills

Kategorie czasowe pamięci

•Pamięć natychmiastowa – immediate memory: (ułamki sekund-

sekundy) „śledzenie rzeczywistości on-line”

–Bardzo duŜa pojemność
–Prawdopodobnie osobne rejestry dla róŜnych typów doznań (wzrokowe, słuchowe, dotykowe, itd.)
•Pamięć robocza - working memory: (sekundy-minuty)
–Ujawnia się np. w przebiegu poszukiwania klucza (np.pamiętanie co juŜ zostało przeszukane)
–Powtórzyć serię liczb (standard 7-9 liczb)
•Pamięć długotrwała: (dni-lata)

•„Pamięć” filogenetyczna – (wrodzona):

•Przykład ptaków których pisklęta reagują na kształt rzeczywistego jak i „udawanego” drapieŜnika

Skąd wiadomo, Ŝe kora mózgu jest odpowiedzialna za

deklaratywną

pamięć długotrwałą

•Leczenie elektrowstrząsami powoduje amnezję wsteczną (od kilku dni nawet do lat) i następczą. (U podstaw
zastosowania elektrowstrząsów był m.in. fakt, Ŝe zauwaŜono, Ŝe spontaniczne ataki padaczki poprawiają stan u
chorych z depresją)

•Kora mózgu jest strukturą uszkadzaną głównie w tej metodzie (najprawdopodobniej w mechanizmie
ekscytotoksycznym) stąd wniosek, Ŝe długotrwała pamięć jest „realizowana” w korze mózgu.
• Potwierdzono to u szczurów w testach z labiryntem wodnym.
Zniszczenie obszaru górnego płata skroniowego powoduje utratę rozumienia słów (afazja). (Kora asocjacyjna
odpowiedzialna za łączenie określonych dźwięków ze znaczeniem leksykalnym)
•Uszkodzenie płata ciemieniowego powoduje utratę zdolności rozpoznawania przedmiotów i/lub twarzy.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

88/113

•Badania fMRI (BOLD) pokazują, Ŝe istnieją określone obszary kory aktywowane wzrokowo tymi samymi
klasami obiektów (np.. Krzesła, twarze, domy) i to zarówno obrazem jak i myślową „wizualizacją” tego samego
obrazu)

„Trenowanie” working memory•Zapamiętywanie informacji „bez znaczenia” jest ograniczone (7-9 liczb np.)
ale moŜe być znacznie wzmocnione po treningu (nawet do 80 cyfr) poprzez tworzenie asocjacji (nadawanie
znaczeń)

•Znawca np. szachów znacznie więcej pozycji figur zapamiętuje niŜ „profan” gdy dotyczy konkretnego realnego
ustawienia z określonej gry a nie przypadkowego „bezsensownego”
•Przykłady „mnemonistów” („pi” do 40000 miejsc) Alexander Aitken, Arturo Toscanini
•Ogromne moŜliwości zapamiętywania czegokolwiek jeśli jest motywacja i zainteresowanie dyscypliną wiedzy,
sportu etc
•Zespół savanta („Idiot savant”): osoba z uszkodzeniem mózgu i głębokim ogólnym upośledzenie lecz z
niezwykłymi szczególnymi zdolnościami (szczególnie językowymi). („Rain Man” z Dustinem Hoffmanem)

Uczenie

Proces uczenia jest ściśle związany (o ile nie polega nawet) na wzmocnieniu „siły” („wagi”) synaps.

Niektóre synapsy ulegają wzmocnieniu gdy oba tworzące je neurony ulegają jednoczesnemu pobudzeniu – a
zatem wymagają zaistnienia „asocjacji” (są to tzw. Synapsy Hebba –
Donald Hebb Kanad. Psycholog 1949)

„Cells that fire together, wire together”

Synapsy te są tzw „detektorami równoczesności”
Szczególna rolę gra tzw.

Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne

(long-term potentiation LTP, trwające wiele

godzin a nawet dni), które moŜe być zarówno asocjacyjne jak i nieasocjacyjne.

Uczenie (się) – badania na modelach kręgowców

Rola LTP

Zjawisko LTP najczęściej jest badane w

synapsach miedzy piramidalnymi neuronami CA1 i CA3 hipokampa. Polega ono na wzroście efektywności
przewodzenia syaptycznego po „tęŜcowej” stymulacji krótkotrwałym bodźcem elektrycznym z wysoką (100Hz)
częstotliwością włókien aferentnych neuronów pola CA3 (włókna Schaffera). Efektem jest to, Ŝe pojedynczy
bodziec po uprzedniej „tetanizacji” wywołuje wyŜszy EPSP.

RównieŜ „długotrwałe osłabienie synaptyczne” (LTD) jest elementem uczenia

Bliss i Lomo w 1973 wykazali LTP w synapsach mi

dzy włóknami przeszywaj

cymi i neuronami

fascia dentata

Układ hipokampa

Układ połączeń hipokampa:

Wejście pobudzające z kory entorinalnej (śródwęchowej) dociera tzw. Drogą przeszywającą do dendrytów

komórek ziarnistych zakrętu zębatego.

Włókna komórek ziarnistych (aksony) z.zębatego projektują do komórek piramidalnych hipokampa (pole

CA3).

Aksony komórek z pola CA3 docierają do CA1 (

tzw. kolaterale Schaffera tworzące synapsy na komórkach

pola CA1)

oraz do komórek podwzgórza i do przeciwstronnego hipokampa.

Aksony komórek z pola CA1 tworzą synapsy z neuronami kory śródwęchowej.

W całym tym „obwodzie”

dominuje Glu chociaŜ są teŜ modulujące synapsy GABA-ergiczne, cholinergiczne naradrenergiczne i
serotoninergiczne.
Aksony kom.CA3 poprzez włókna spoidłowe docierają takŜe do hipokampa po drugiej stronie.

Włókna eferentne wychodzą teŜ przez sklepienie (fornix) w kierunku podwzgórza i wzgórza.

Warunki dla

LTP:

1)Napływ Ca2+
2)Jednoczesna depolaryzacja i stymulacja kolaterali Schaffera bod

cem o niskiej cz

stotliwo

ci nie

spełnia warunku wystarczaj

cej depolaryzacji i uwolnienia „blokady” magnezowej (za mało otwartych

kanałów receptorowych AMPA (Ca2+)
Podawanie MK-801 (antagonisty NMDA) blokuje LTP co jest jednym z dowodów na rol

NMDAR w

LTP.

Cechy LTP:

1)Współdziałanie (Cooperativity)

Prawdopodobie

stwo wywołania LTP wzrasta wraz ze zwi

kszeniem

liczby włókien aferentnych Schaffera stymulowanych tetanicznie

2) Specyficzno

ść

wej

cia (Input specificity)

LTP pojawia si

tylko w synapsach, które podlegały tetanicznej stymulacji

3) Asocjacyjno

ść

(Associativity)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

89/113

Poniewa

kolaterale Schaffera docieraj

do neuronów CA1 równie

z drugiego hipokampa

(włókna spoidłowe) oba systemy włókien konwerguj

na neuronach CA1 ale jeden ma „słabe”

oddziaływanie (nieliczne włókna) a drugi (z tej samej strony) – silne (liczne włókna). Tetaniczne
dra

nienie „słabej” (w przeciwie

stwie do „silnej”) drogi włókien nie wywołuje LTP. Je

li jednak istnieje

„asocjacja” czasowa stymulacji obu dróg (tetaniczne dra

nienie zarówno „słabej” jak i „silnej” drogi –

czyli włókien Schaffera z obu stron) pojawi si

LTP na synapsach z obu stron („słabych” i „silnych”).

Warunkiem jest aby oba „wej

cia” były

jednocze

nie

pobudzone tetanicznie.

Najwa

niejszym mechanizmem LTP jest prawdopodobnie wzrost liczby AMPA-R ale s

inne

mechanizmy LTP

Znaki zapytania dotyczące LTP:

Wątpliwości:

Nie jest do końca jasna rzeczywista funkcja LTP (czy na pewno pamięć?)
U zwierząt transgenicznych, u których nie dochodzi do LTP w hipokampie pomiędzy włóknami
przeszywającymi i kk.ziarnistymi zakrętu zębatego nie ma zaburzeń w nawigacji przestrzennej (ale być moŜe te
synapsy nie mają związku z tym rodzajem pamięci ???)

Czy mechanizm dotyczy neuronu postsynaptycznego czy teŜ (równieŜ) presynaptycznego (np. Wzrost ilości
pęcherzyków)?

Które z obserwowanych zjawisk moŜna definiować jako LTP (obecnie „szeroka” definicja mówi o kaŜdym
przypadku gdzie synapsa staje się „mocniejsza” w wyniku uprzedniej aktywności)?
Czy na pewno rezultaty eksperymentów na płatach wyciętego hipokampa wskazujące na istnienie LTP pokazują
coś, co jest faktycznie w Ŝywym mózgu „in situ”?

Ale jednak ...

TęŜcowa stymulacja jednak nie jest czymś „sztucznym” bo występuje równieŜ „naturalnie”;
RóŜne manipulacje ograniczające LTP powodują osłabienie uczenia
MK-801 utrudnia uczenie (co jednak nie wyklucza, Ŝe ten efekt moŜe nie mieć związku z blokadą receptora
NMDA ale z jakimś innym mechanizmem !)

„Komórki miejsca” wyładowują zgodnie z rytmem theta EEG, (4-10Hz) widocznym przy „nauce” w labiryncie i
odzwierciedlającym aktywność hipokampa (inne komórki „milczą”).
Stymulacja „naśladująca” rytm theta pomaga w uczeniu.

Uczenie się: nabywanie zmian w zachowaniu i ich odtwarzanie pod wpływem danego doświadczenia – jest
wyrazem plastyczności mózgu.

Gra podstawową rolę w tworzeniu

pamięci proceduralnej.

Uczenie się asocjacyjne jest oparte na tworzeniu odruchu warunkowego i wymaga dwóch bodźców,

pierwszy – tzw. warunkowy

występuje tuŜ przed

drugim – tzw. bezwarunkowym

, który moŜe być

Atrakcyjny-apetytywny

(pokarm) lub

awersyjny

(np. ból)

Mechanizmy uczenia się:

1.Nieasocjacyjne

(habituacja lub sensytyzacja)

1)Habituacja (osłabianie reakcji na wielokrotnie powtarzany bodziec, najprawdopodobniej towarzyszy jej
m.in. eliminacja synaps)
2)Dyshabituacja (odtworzenie uprzednio zredukowanej „zhabituowanej” odpowiedzi pod wpływem
silnego bodźca)
3)Sensytyzacja (zwiększenie reakcji na bodziec pojawiający się tuŜ po silnym bodźcu awersyjnym,
związana z tworzeniem nowych synaps)
2.Asocjacyjne (odruchy warunkowe)
Bodźce mogą być:
Typu NAGRODY („appetitive”) lub Typu KARY („aversive”, „fear”)

Uczenie się:

Asocjacyjne „klasyczne” (poprzez odruchy warunkowe)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

90/113

1)Bodziec bezwarunkowy – reakcja bezwarunkowa np. widok pokarmu i wydzielanie śliny. JeŜeli bodziec
bezwarunkowy jest bólowy nazywamy go awersyjnym (warunkowanie awersyjne)
2)Bodziec warunkowy (conditioned stimulus) musi poprzedzać bodziec bezwarunkowy (np. dzwonek przed
podawaniem jedzenia)
3)Wytworzona reakcja (warunkowa) np. wydzielanie śliny po dzwonku
4)Bodziec warunkowy i bezwarunkowy muszą być blisko w czasie (zasada koincydencji) a b.warunkowy musi
poprzedzać b.bezwarunkowy
5)Reakcja warunkowa ulega

stopniowemu wygaszeniu

po zaprzestaniu występowania bodźca bezwarunkowego

(takŜe po wydłuŜeniu czasu pomiędzy bodźcami)
2)Asocjacyjne instrumentalne
tzw. instrumentalne odruchy warunkowe
(np. naciśnięcie dźwigni aby dostać cukierek -

bodziec wzmacniający

)

Klasyczne warunkowanie wg Pawłowa.

Obecnie zwraca się uwagę nie tyle na istnienie „czasowej ciągłości” bodźca warunkowego i bezwarunkowego
ale na fakt, Ŝe pomiędzy tymi bodźcami istnieje

związek INFORMACYJNY

Bodziec warunkowy w procesie warunkowania nabiera cech sygnału niosącego informację !

Obecnie wyróŜniamy następujące główne typy pamięci:

PAMIĘĆ DEKLARATYWNA (opisowa)
PAMIĘĆ NIEDEKLARATYWNA
•Pamięć proceduralna (pamięć sposobów postępowania)
•Pamięć emocjonalna
•Pamięć robocza „working memory” [KORA]
•Pamięć percepcyjna „perceptual memory” [KORA]
–Priming, Puzzle solving
•Podział na typy pamięci i wzajemne relacje podtypów jest wynikiem dokonanych eksperymentów jak równieŜ
ciągle przedmiotem badań i dyskusji
Np. w podziale wg L.R. Squire na następnym slajdzie brak pamięci roboczej a pamięć emocjonalna wraz z
„skeletal responses” jest zaliczona do „klasycznego warunkowania” (nie ma teŜ relacji do pojęć LTM i STM)

Pamięć deklaratywna

Pamięć deklaratywna („explicit”)

jak wskazują przypadki amnezji po uszkodzeniu przyśrodkowych okolic

płatów skroniowych u ludzi

pozwala na zachowywanie i świadome przypominanie faktów i wydarzeń

Pamięć deklaratywna pozwala teŜ na

wyciąganie uogólnień oraz implikacji (inferrences) z zapamiętanych

faktów

, co jest nieodzowne i jednocześnie charakterystyczne dla ekspresji pamięci deklaratywnej.

Pamięć deklaratywna („explicit”)

związana z hipokampem

jest (na podst. badań na zwierzętach) szybko

nabywana i „napędzana” raczej ciekawością a nie systemem kara-nagroda i dotyczy głównie przestrzennego
poznawania (spatial cognition).

Struktury odpowiedzialne za p.deklaratywną:

pola asocjacyjne neocortex,

oraz

dla p. epizodycznej kora przedczołowa,
dla p.semantycznej zwł. przedni lewy płat skroniowy, korowe obszary sąsiadujące z hipokampem i hipokamp.

Wiedza semantyczna:
Jest to zorganizowany zasób informacji niezaleŜny od „epizodycznych” zdarzeń (episodic
representations), które tworzyły ten zasób.
Prawdopodobnie „engramy” pamięci dotyczące podobnych pojęć mają osobne lokalizacje (przypadki
chorych dobrze przypominających owoce ale kiepsko warzywa)
Mózg tworzy zhierarchizowane obszary odrębne dla poszczególnych pojęć (np. rośliny, zwierzęta,
pojazdy, rzeki, meble etc) podobnie jak zhierarchizowana jest nasza wiedza semantyczna.
Badania wykazały, Ŝe przypominanie obiektów naleŜących do dwóch róŜnych pojęć takich jak
narzędzia i zwierzęta oprócz aktywowania kory środkowego zakrętu skroniowego łączyło się z
aktywacją w

przypadku

narzędzi

– lewej kory przedruchowej

(te same obszary aktywowało

wyobraŜanie manipulacji narzędziami u praworecznych), w

przypadku

zwierząt

z aktywacją kory

przyśrodkowej potylicznej

(związanej z przetwarzaniem obrazów).

Prawdopodobnie tworząc nową kategorię (pojęcie) mózg tworzy (przyporządkowuje) osobne miejsce ?

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

91/113

„COŚ” (układ, moduł, mózg, umysł???) w nas stale organizuje napływającą nieprzerwanie rzekę
informacji czyli „faktów” lub „zdarzeń”, które są zintegrowanymi i przetworzonymi zbiorami impulsacji
czuciowej
„Piksele” z obrazu na siatkówce tworzą reprezentacje np. określonych liter w korze wzrokowej, w
innych obszarach są integrowane w wyrazy, następnie w zrozumiałe zadania, pojęcia itd.
Organizacja opiera się głównie na kojarzeniu wspólnych elementów.
Organizacja tej rzeki informacji pozwala na odtwarzanie (przypominanie) faktów i ich znaczeń

Pamięć deklaratywna („explicit”)
- test dla małp naczelnych

Visual paired comparison task:

Zwierzętom prezentuje się dwa jednakowe obrazki.
Zapamiętanie ocenia się na podstawie czasu fiksacji wzroku na zmienionym obrazku (zmiana obrazu następuje
po róŜnym okresie czasu)

Delayed non-matching-to-sample task „dobieranie nie według wzoru”:

Zwierz

ma po ró

nym czasie (w tym czasie nie widzi

adnych innych obiektów) rozpozna

nowy

obiekt (kul

). Nagrod

jest smakołyk.

Zwierz

ta po uszkodzeniu przy

rodkowych struktur skroniowych (zwłaszcza okolic

ródw

chowych i

parahipokampalnych)

le wykonuj

test chocia

np. maj

nie osłabione funkcje uczenia si

czno

(np. wyci

gania cukierka przy pomocy zagi

tego pr

ta)

Pamięć deklaratywna („explicit”) u gryzoni

The Morris water maze test (labirynt wodny Morrisa):

Nieprzezroczysta woda ukrywa znajdującą się tuŜ pod jej powierzchnią platformę umoŜliwiającą mu „ratunek”
(nie musi pływać gdy na niej stanie), którą szczur uczy się odnajdywać na podstawie obiektów znajdujących się
na zewnątrz baseniku śr 1,3 m (róŜne przedmioty rozmieszczone w pokoju w którym są przeprowadzane testy).
Szczury z uszkodzonym hipokampem mają słabe wyniki testu, chociaŜ mają bardzo dobre wyniki w opanowaniu
pływania do platformy widocznej i umieszczanej w róŜnych miejscach kuwety.

Podanie kolchicyny niszcząc

część hipokampa po 12 tygodniach od zakończenia testów (uczenia) nie wywoływało róŜnic w porównaniu z
kontrolą. (wcześniejsze podawanie kolchicyny niszczyło pamięć).

Test of transitive inference

czyli badanie zdolności wnioskowania cechy przechodniości tzn. Jeśli A>B i B>C to

A>C (u dzieci wykształca się do 7 roku Ŝycia Piaget)

Gryzonie uczą się na podstawie zestawów par róŜnych zapachów, który z zapachów w danej parze jest
preferowany (związany z nagrodą-smakołykiem)
Tzn A>B oznacza, Ŝe w piasku z zapachem A jest zagrzebana nagroda a nie jest zagrzebana w piasku
oznaczonym zapachem B
Kolejne pary zapachowe, z jednym nagradzanym (symbol >) symbolicznie zapisujemy jako B>C, C>D, D>E.
Test polega na „wykoncypowaniu”, Ŝe w

parze B,D

preferowany jest zapach B (transitive inference). Trzeba

zauwaŜyć, Ŝe w innych układach zarówno zapach B jak i zapach D moŜe być i nie być nagradzany!

Szczury z

uszkodzeniem hipokampa uczą się prawidłowego wyboru w poszczególnych parach tak jak kontrolne
(„zdrowe”) natomiast nie potrafią zupełnie „kojarzyć” (dostrzegać) „przechodniości”, którą kontrolne szczury
zauwaŜają.

Social transmission of food preference task;

Szczur testowany spotyka się z innym szczurem, który tuŜ wcześniej zjadł określone jedzenie. Szczur testowany
wyczuwa zapach jedzenia w oddechu szczura „demonstratora”. Następnie (natychmiast oraz po 24 godz. )
szczurowi testowanemu przedstawia się szereg róŜnych poŜywień, wśród których znajduje się to, które jadł
„demonstrator”.
Normalny szczur preferuje to poŜywienie zarówno natychmiast jak i po 24 godz.
Szczur z uszkodzonym hipokampem preferuje równieŜ ale tylko w próbie natychmiastowej, natomiast po 24
godz. nie preferuje (zapomniał...)

Tzw. „place cells” („komórki miejsca”)w hipokampie są aktywne, gdy zwierzę znajduje się w określonym
przestrzennie miejscu (mają „pole recepcyjne miejsca” kodujące cechy i relacje otoczenia konkretnego
miejsca).(testowane tzw. Labiryntami)

Inne komórki wykazują impulsację związana z określonym miejscem a nawet z wyborem dalszej drogi.
Przypuszcza się, Ŝe hipokamp (przynajmniej u szczurów) jest miejscem tworzenia „map przestrzennych” (map
poznawczych) aktualizowanych ciągle pod wpływem uczenia się („epizodycznego”)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

92/113

Hipokamp jest odpowiedzialny za bardzo szybkie lub nawet natychmiastowe kodowanie zdarzeń i tworzenie
reprezentacji epizodycznych. Ale to nie hipokamp jest trwałym miejscem deponowania reprezentacji epizodów
ale kora, poniewaŜ uszkodzenie hipokampa nie niszczy pamięci epizodów dawnych.
Hipokamp zatem tworzy reprezentacje epizodów i poprzez połączenia (wielokrotne) z korą umoŜliwia tworzenie
w korze reprezentacji pamięciowych epizodów niezaleŜnie od siebie (hipokampa)

Pamięć proceduralna („implicit”)

Pamięć proceduralna jest najczęściej uŜywana w codziennym

Ŝyciu. Jest to długotrwała pamięć zręczności ruchowej, percepcyjnej i asocjacyjnej.

UŜywamy jej wykonując zwyczajowe prace, zręczności, adaptując ruchy stosownie do informacji czuciowych.
Zazwyczaj ten rodzaj pamięci funkcjonuje

niezaleŜnie od świadomości.

(Zwykle takie zdolności uznajemy jako

coś oczywistego)
Jednak w przypadku zaburzenia tej pamięci zmuszeni bylibyśmy szczegółowo „przemyśliwać” kaŜdy ruch czy
czynność.
Pamięć proceduralna jest realizowana przez dwa anatomicznie i funkcjonalnie róŜne układy.

Jeden z głównym „ośrodkiem” w

NEOSTRIATUM

nabywanie stereotypowych zręczności

Drugi, którego głównym centrum jest

MÓśDśEK

korekcja i kompensacja zwłaszcza zmiennych warunków

obciąŜenia ruchu oporem lub grawitacją

Pamięć proceduralna dzieli się na dwa podtypy:

1)Nabywanie zwyczajów i zręczności, róŜnych stereotypowych nieświadomych zachowań (

odpowiedzialne:

neostriatum)

2)Dokonywanie specyficznych czuciowo-ruchowych adaptacji (np. na zmianę obciąŜenia) i doskonalenie
odruchów (np. chwytu szklanki):

odpowiedzialny: móŜdŜek

Pamięć proceduralna jest wynikiem uczenia się:
1)Nieasocjacyjnego (habituacja lub sensytyzacja)
2)Asocjacyjnego (poprzez odruchy warunkowe)

Pamięć proceduralna:

podukład „neostriatalny”

Nabywanie zwyczajów i zręczności, róŜnych stereotypowych nieświadomych zachowań

Układ neostriatun prawie nie ma bezpośrednich połączeń z pniem i rdzeniem dlatego nie ma bezpośredniego
wpływu na czynności motoryczne (tylko za pośrednictwem kory)

„Układ neostriatum”

obejmuje nabywanie „stereotypowych” (?) zwyczajów i zręczności (jazda na rowerze, gra

na pianinie) a jego centralnym „realizatorem anatomicznym” są jądra podstawy (prąŜkowie –

neostriatum

Packard i Knowlton 2002). Neostriatum

otrzymuje impulsację z kory i z kolei wysyła impulsy do innych jąder

podkorowych oraz do wzgórza. Te jądra z kolei wysyłają impulsację do kory ruchowej i do kory asocjacyjnej
przedczołowej.

System ten wydaje się nie łączyć bezpośrednio z „dolnymi motoneuronami” !

Pamięć proceduralna:

podukład „móŜdŜkowy”

Układ móŜdŜku:

jest podukładem pamięci proceduralnej realizującym przystosowania czuciowo-ruchowe oraz

korekcję odruchów która potrzebna jest np. w sytuacji konieczności adaptacji do zwiększonego obciąŜenia.
Centralną rolę w nim gra

móŜdŜek

(„objawy móŜdŜkowe” : dysmetria, niezborność, zab. równowagi)

MóŜdŜek dzięki licznym połączeniom od i do z pniem i rdzeniem (a takŜe z korą) posiada moŜliwość
bezpośredniego wpływania na czynności ruchowe.

Dokonywanie specyficznych czuciowo-ruchowych adaptacji (np. na zmianę obciąŜenia) i doskonalenie
odruchów (np. chwytu szklanki):

Model uczenia się móŜdŜkowego (ruchowego) Marra, Albersa i Ito

Proces „uczenia się” w móŜdŜku opiera się na LTD (long-term depression) wytwarzanym w synapsach
pomiędzy włóknami równoległymi (pf) (z dróg korowo-mostowo-móŜdŜkowych) i komórkami
Purkinjego.
Aktywność tych synaps występuje w koincydencji z aktywnością synaps włókien pnących (cf)
pochodzących z oliwek, którymi do kk.Purkinjego docierają „sygnały błędu”.
LTD występuje na synapsach włókien równoległych.

U królika móŜdŜek zaangaŜowany jest w:

odruch zamykania powieki (tzw. migotki) i
odruch cofania gałki ocznej

(w reakcji na podmuch powietrza w kierunku oka.)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

93/113

Odruch ten moŜna warunkować np.

dzwonkiem

uruchamianych tuŜ przed dmuchnięciem.

Dźwięk aktywuje synapsy między włóknami równoległymi i kk.Purkinjego.
Sygnał dmuchnięcia dociera do kk Purkinjego poprzez włókna pnące.
Koincydencja dzwonka i dmuchnięcia powoduje wytwarzanie LTD na synapsach włókien równoległych i kk
Purkinjego.
Zmniejszenie pobudliwości komórek Purkinjego powoduje wzrost sygnału z móŜdŜku do mięśni gałki ocznej
(„hamowanie hamujących” kk.Purkinjego)

Dalsze trenowanie odruchu warunkowego doprowadza do szybszej odpowiedzi której czas wystąpienia zostaje
zoptymalizowany do mającego wystąpić dmuchnięcia
Pamięć emocjonalna:

ciało migdałowate

Asocjacja określonych bodźców ze szczególnymi

pozytywnymi lub negatywnymi afektami oraz z reakcją m.in. układu autonomicznego
(niekiedy dla jednych „obojętne” emocjonalnie rzeczy dla innych osobników stają się źródłem
emocjonalnego pobudzenia)
Świadome odtworzenie jest zwykle trudne lub niemoŜliwe.
Ciało migdałowate moduluje zakres konsolidacji tworzącej się pamięci. Zdarzenia uznawane za waŜne
powodują pobudzenie całego układu nerwowego co wspomaga konsolidację pamięci czyli tworzenie
trwałych jej „engramów”. Wzbudzenie mediowane przez c.migdałowate polega na aktywacji
hormonalnej (oś podwzgórze-przysadka-wydzielanie kortyzolu z nadnerczy ponadto wzmaga się
wydzielanie katecholamin).

Przykład wpływu pamięci emocjonalnej:
zdarzenie z dzieciństwa takie jak pogryzienie przez psa –
a)Silnie wzmocniona pamięć deklaratywna zdarzenia
b)Nieświadomy nabyty lęk i wstręt do psów

Glukokortykoidy

mogą bezpośrednio aktywować (przechodzą do mózgu) swoje receptory w

hipokampie i c.migdałowatym.
Tylko małe dawki glukokortykoidów wspomagają pamięć! (stres mały jest „dobry”, duŜy jest „zły”)
Przecięcie blaszki krańcowej (odprowadzającej włókna z c.migdałowatego) blokuje wpływ róŜnych
substancji (takich jak substancje  działające przez receptory GABA, opioidowe, adrenergiczne) na
procesy pamięci.
M.in. Charakterystyczne jest zniesienie działania róŜnych substancji na procesy pamięci poprzez
podanie

propranololu

(przypuszczalnie modulacja adrenergiczna gra główna rolę w tych procesach).

Podawanie

noradrenaliny i adrenaliny

po wstępnym etapie uczenia się poprawia

przypominanie nabytych wiadomości. Przy czym tylko pośrednie dawki tych hormonów
działają pozytywnie (ani niskie ani wysokie).

Katecholaminy nie przechodzą do mózgu

i zatem prawdopodobnie działają obwodowo

poprzez interakcję z receptorami unerwianymi przez n.X i następnie aktywacje j.pasma
samotnego.
Stamtąd drogi projekcyjne pobudzają j.miejsca sinawego (dopaminergiczne), które z
kolei ma połączenia z c.migdałowatym i hipokampem i w ten sposób moŜe dochodzić do
oddziaływania na procesy pamięci .
Elektryczna stymulacja n.X ma podobne działanie jak podawania katecholamin.
Stymulacja c. Migdałowatego stymuluje (lub hamuje ) zapamiętywanie i jest

uzaleŜnione od sprawnych

nadnerczy!

Ciało migdałowate odgrywa rolę w emocjonalnej modulacji procesów pamięciowych

Wspomnienia wydarzeń o silnym ładunku emocjonalnym są Ŝywsze i dłuŜej trwające oraz dokładniejsze
niŜ wspomnienia emocjonalnie obojętne.
Emocjonalnie silne wydarzenie powoduje aktywację układu sympatycznego i osi podwzgórze-przysadka-
nadnercza (wyrzut noradrenaliny i kortykosteroidów, tzw odpowiedź „flight-or-fight”), celem tych reakcji
jest nie tylko aktywacja neuro-metaboliczna ale wzmoŜenie procesów pamięci (dzięki temu osobnik

lepiej

uczy się

postępowania w sytuacji stresowej (zagroŜenia etc)

Pamięć robocza (working memory,
„pamięć bezpośrednia”):

róŜne obszary kory

(Wraz z „perceptual m.” jest „realizowana” przez korę

bez udziału innych struktur mózgu.)

Pamięć robocza jest to świadoma reprezentacja poszczególnych składników bieŜącego doświadczenia.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

94/113

Jest krótkotrwała (często utoŜsamia się pamięć roboczą z STM czyli z pamięcią krótkotrwałą, ale w tej pamięci
są równieŜ elementy LTM).
UwaŜa się, Ŝe pamięć robocza (bezpośrednia) pozwala na równoczesne rejestrowanie i przetwarzanie informacji
czuciowej, pamięci STM oraz „stałego dostępu” do LTM.
Przykładem moŜe być

prowadzenie pojazdu.

input czuciowy

aktualnie obowiązujące (w danym odc.drogi) znaki drogowe

cel podróŜy (LTM)

„Na bieŜąco” rejestruje i podtrzymuje „pośrednie” produkty myślenia oraz reprezentacje wytwarzane przez
system perceptualny (postrzegania)Dostęp do pamięci długotrwałej „składa się” z aktywowanych sekcji LTM
(pamięci długotrwałej) tzw. „chunks”„chunk” jest strukturą hierarchiczna i symbolicznąJednoczasowo ok. 7 +/-
2 „chunks” jest aktywnych

Pamięć perceptualna – „priming”

Jest to rodzaj pamięci realizowany bez udziału świadomości, który

dotyczy zdolności identyfikacji i klasyfikacji przedmiotu będącej rezultatem wcześniejszych „postrzeŜeń” tego
przedmiotu lub przedmiotu „pokrewnego”.

Typowy przykład zadania angaŜującego pamięć perceptualną (priming) to (po uprzedniej ekspozycji sekwencji
określonych obiektów) nabycie zdolności do identyfikacji całej sekwencji tych obiektów (np.słów) na podstawie
początkowej części sekwencji.
Ten rodzaj pamięci jest zachowany u chorych z amnezją (czyli brakiem pamięci deklaratywnej) którzy maja
uszkodzoną przyśrodkową część płata skroniowego (medial temporal lobe)

Badania fMRI wykazały OBNIśENIE AKTYWNOŚCI KORY w zadaniach testujących „priming” (w
przeciwieństwie do pamięci deklaratywnej)!

Modele eksperymentalne mechanizmów pamięci

Pamięć proceduralna: badania nad Aplysia

Slimak morski Aplysia A) odruch cofania skrzela i syfonu do jamy płaszcza na dotkni

cie syfonu

lub strzykni

cie strugi morskiej wody (jest to przykład tzw. Odruchu wycofania)

B) Odruch cofania ogona, syfonu i skrzela po stymulacji ogona

W Aplysia moŜna obserwować i badać mechanizmy uczenia się zarówno
nieasocjacyjnego jak i asocjacyjnego

Habituacja

Powtarzana 10x stymulacja powoduje zwi

kszenie napływu jonów wapnia i tzw.

osłabienie

homosynaptyczne

(tej samej synapsy, która jest pobudzana w odruchu - jest to

zako

czenie aksonu

neuronu czuciowego

). Polega na zmniejszeniu wydzielania neurotransmitera w neuronach czuciowych

syfonu.
Obserwuje si

długotrwał

habituacj

, której przyczyn

jest

zmniejszenie liczby synaps.

Sensytyzacja

Seria silnych bod

ców bólowych (

stymulacja bólowa ogona)

powoduje uwolnienie modulacyjnych

neurotransmiterów np. serotoniny (5-HT) ze specyficznej klasy neuronów (tzw. neuronów
facylitacyjnych), których zadaniem jest modulacja odpowiedzi neuronów czuciowych
(heterosynaptyczna facylitacja). Neurony facylitacyjne (

wstawkowe serotoninergiczne neurony

toruj

ce)

tworz

synapsy akso-aksonalne na zako

czeniach nerwów czuciowych. W przeciwie

stwie

do habituacji sensytyzacja jest

procesem heterosynaptycznym

(aktywacja innego neuronu ni

neuron

czuciowy)
W

sensytyzacj

krótkotrwał

zaanga

owane s

metabotropowe receptory serotoniny sprz

ęŜ

one z

cAMP i kinaz

białkow

PKA oraz receptory sprz

ęŜ

one z DAG i kinaz

PKC)

Kinaza fosforyluje kanał potasowy powoduj

c zmniejszenie pr

du potasowego a st

d wydłu

enie

depolaryzacji (wydłu

enie potencjału czynno

ciowego). Rezultatem jest wzrost napływu jonów Ca2+

do zako

cze

aksonalnych i przedłu

one i nasilone uwalnianie neurotransmitera.

Z kolei fosforylacja przez PKC kanału wapniowego L powoduje przedłu

ony napływ wapnia przez ten

kanał (i równie

nasilenie uwalniania neurotransmitera z zako

czenia neuronu czuciowego co

wzmaga sił

odruchu).

Sensytyzacja (krótkotrwała i długotrwała)

Długotrwała sensytyzacja wymaga syntezy białek

(blokowanie syntezy ogranicza sensytyzacj

do 3 godz.)

Sensytyzacja długotrwała

na modelu Aplysia

Wymaga stymulacji trwaj

cej godzin

lub wi

cej ale jej efekty trwaj

przez co najmniej 24 godz.

Czynnikiem który powoduje przej

cie sensytyzacji krótkotrwałej w długotrwał

jest m.in. Kinaza PKA,

która

zmienia ekspresj

genów

(aktywna podjednostka PKA dostaje si

do j

dra komórki i fosforyluje

czynnik transkrypcyjny CREB (cAMP responsive element binding protein) aktywuj

cy syntez

białek,

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

95/113

w tym m.in. proteazy dla podjednostki regulatorowej PKA co wydłu

a działanie PKA i m.in.

Fosforylacj

kanału K+).

Ponadto aktywacja MAPK prowadzi do fosforylacji i „derepresji” CREB2 co dodatkowo stymuluje
CREB1.
Długotrwała sensytyzacja wi

ąŜ

e si

translacj

wielu innych białek

(ponad 10 produktów genowych

zostało zidentyfikowanych) i

rozgał

zianiem si

aksonów

oraz

tworzeniem nowych synaps

PKA, PKC, CaMKII s

tzw. „kognitywnymi kinazami”

-PKA, PKC, CaMKII podlegaj

trwałym zmianom aktywno

ci nie ust

puj

cym nawet po zanikni

ciu stymuluj

cego je sygnału

(wtórnego przeka

nika)

-Kinazy te moduluj

aktywno

ść

synaptyczn

„Asocjatywna facylitacja” u Aplysia (forma uczenia się asocjacyjnego)

Odruchy „ucieczki”

(withrawal) u Aplysii mogą być uŜyte do klasycznego warunkowania

Odruch cofania skrzela mo

na wzmocni

nie tylko na drodze sensytyzacji ale równie

poprzez

tzw.

Asocjatywn

facylitacj

(jest to forma asocjatywnego uczenia) czyli dzi

ki warunkowaniu reakcji

behawioralnej.
Bod

cem warunkowym (CS) jest łagodne dra

nienie syfonu

Bod

cem bezwarunkowym (US) jest podra

nienie ogona (tylnej cz

ęś

ci nogi), który powoduje

gwałtown

reakcj

CS poprzedza US o 0,5 sek. Wielokrotne powtórzenie sekwencji CS-US powoduje powstawanie silnej
reakcji bezwarunkowej w odpowiedzi jedynie na bodziec CS (łagodny dotyk syfonu)
POSTULOWANY MECHANIZM MOLEKULARNY:
Molekularnym podło

em tej zmiany jest

wzmocnienie efektywno

ci przewodnictwa w synapsie mi

dzy

neuronem czuciowym i ruchowym

Dzieje si

tak dzi

ki moduluj

cemu wpływowi neuronów toruj

cych, które w wyniku działania bod

bezwarunkowego (US) s

zaktywowane i wyrzucaj

serotonin

w synapsie akso-aksonalnej przy

zako

czeniu aksonalnym neuronu czuciowego.

1) W wyniku bod

ca CS uwalniany jest Ca2+.

(Przerwa mi

dzy CS i US musi by

krótka bo wap

jest szybko buforowany w cytozolu.)

2) Nast

pnie serotonina uwolniona w wyniku działania US aktywuje

cyklaz

adenylow

w aksonie

neuronu czuciowego, która staje

wra

liwa na wap

(Ale nie ma jasno

ci dlaczego CS musi poprzedza

US.)

Rola obszarów asocjacyjnych kory mózgowej

Główne połączenia kory asocjacyjnej

•„wejściowe”

–Korowo-korowe toŜstronne i przeciwstronne
–Wzgórze
–C. migdałowate
–Hipokamp
–Pień mózgu (ośrodki modulacyjne)

•„wyjściowe”

–Do pozostałych obszarów kory (tak jak te „wejściowe”)
–Wzgórze
–C. migdałowate
–PrąŜkowie (j.ogoniaste i skorupa)
–Pień mózgu
–Rdzeń kręgowy

Główne „specjalizacje” kory asocjacyjnej
Kora ciemieniowa:

uwaga

–Contralateral neglect syndrome

po uszkodzeniu prawej kory ciemieniowej: - deficyt

postrzegania (uwagi) dotyczącego „lewej strony świata”. (pierwszy opis dr W.R.Brain 1941 w:

Brain

Uwaga! „niedobór” postrzegania dotyczy lewej części kaŜdego obiektu. Prawa półkula „obsługuje” obie
strony „rzeczywistości” wewnętrznej (ciało) i zewnętrznej (otoczenie) a lewa półkula tylko prawą
stronę. Po uszkodzeniu lewej półkuli jest tylko minimalny deficyt po stronie prawej.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

96/113

•„Neurony uwagi”

•Detekcja neuronów związanych z uwagą
(„attention neurons”) – eksperymenty z implantowanymi elektrodami u małp rhesus Niektóre neurony kory
ciemieniowej są aktywne jeśli zwierzę aktywnie obserwuje „target”

•„Neurony rozpoznania”

•„Neurony rozpoznania” np. twarzy (recognition neurons, - „face cells”) w płatach skroniowych. Są
prawdopodobnie zorganizowane w kolumny, w których poszczególne komórki „odpowiadają” (rozpoznają?) na
róŜne cechy twarzy

•„Neurony planowania” (czołowa kora asocjacyjna)

•Badane neurony w czasie tzw. „delayed response task” są aktywne w czasie „pamiętania” (między ekspozycją
jedzenia i podniesieniem ekranu pozwalającego na odszukanie jedzenia) i przestają być aktywne gdy zwierzę
„odgaduje” gdzie było włoŜone jedzenie

•Kora skroniowa:

rozpoznawanie znaczenia i natury bodźców

–Prosopagnosia: nierozpoznawanie znajomych twarzy : uszkodzenie spodniej części

prawego

dolnego płata skroniowego (po stronie lewej uszkodzenie powoduje zaburzenia językowe). Np.
przypadek L.H., po urazie nie potrafiącego rozpoznawać twarzy (częściowo takŜe zwierząt i ich
ekspresji) ale potrafiącego rozpoznawać ludzi np. po głosie lub sposobie chodzenia. Lokalizacja
„ośrodka rozpoznawania twarzy” w prawym płacie skroniowym („od spodu”) potwierdzona w fMRI. W
zaleŜności od rozległości uszkodzenia agnozja moŜe dotyczyć równieŜ innych obiektów (nie tylko
twarzy).
•Kora skroniowa:

rozpoznawanie znaczenia i natury bodźców

–Uszkodzenie płata skroniowego po

stronie lewej

uszkodzenie powoduje zaburzenia językowe. Cechy

osłabionego rozumienia mowy związane są z uszkodzeniem dolnej części płata skroniowego (rejon
gyrus fusiformis).
–Zaburzenia językowe dotyczą zewnętrznej części płata skroniowego lewego
•Kora czołowa:

planowanie odpowiedzi behawioralnych

–Kora czołowa jest największym obszarem asocjacyjnym, realizującym bardzo liczne funkcje, jej
zaburzenia często przejawiają się jako „zmiana charakteru” (osobowości?)
–Przypadek zmian osobowości Phineas’a Cage’a w wyniku urazu w 1848 r na budowie linii kolejowej
niszczącego płaty czołowe (zm w 1863 r). Gł niezdolność do planowania działań.
–Wisconsin Cart Sorting Task (planowanie) testuje funkcje płatów czołowych
–„obsługa” working memory
–Social restraint functions (poczucie co jest społecznie niewłaściwe)

Język-mowa

•Korowa reprezentacja języka-mowy jest osobna w stosunku do ośrodków kontrolujących

motorycznie mięśnie fonacyjne (krtani, języka, itp.) a takŜe w stosunku do ośrodków recepcyjnych dźwięków i
wzroku.

•Jest to więc reprezentacja „komunikacji” i/lub znaczenia znaków i symboli niezaleŜnie od sposobu przekazu
(mowa, pismo, język migowy)
•Gramatyka, syntaxa, prozodia (emocjonalne znaczenie)
•Ośrodek Broca (uszkodzenie –afazja motoryczna, rozumienie zachowane)
•Ośrodek Wernicke’go (uszkodzenie – afazja czuciowa, recepcyjna, mowa płynna)
•Afazja kondukcyjna
•Podział afazji wg Normana Geschwind’a (znalazł asymetrię w „planum temporale”)
•Lateralizacja funkcji językowych – badania Rogera Sperry z Caltech (60,70-te) u chorych ze „split-brain”
(rozcięcie ciała modzelowatego)

Ośrodek Broca (uszkodzenie –afazja motoryczna, rozumienie zachowane)

Ośrodek Wernicke’go (uszkodzenie – afazja czuciowa, recepcyjna, mowa płynna)

Lateralizacja niektórych funkcji w półkulach mózgu•Nie jest prawdą, Ŝe „mówimy lewą półkulą” ale
niewątpliwie lewa półkula odgrywa w mowie większą rolę choć i prawa ją w duŜym stopniu uzupełnia.

•Badania Geschwinda:

„planum temporale”

po stronie lewej jest znacznie większa (o ok.50%), jednak tylko u

67% (2/3) ludzi (juŜ od urodzenia!) podczas gdy „przewaga” lewej półkuli w funkcjach mowy jest obecna u 97%
ludzi.
•Badania Geschwinda: obszar tzw.

„planum temporale”

po stronie lewej jest znacznie większa (o ok.50%),

jednak tylko u 67% (2/3) ludzi (juŜ od urodzenia!) podczas gdy „przewaga” lewej półkuli w funkcjach mowy
jest obecna u 97% ludzi.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

97/113

Język-mowa: test Juhn Wada’y

•Wstrzyknięcie amytalu sodu (krótkotrwałą anestezja) do lewej

tętnicy szyjnej powoduje krótkotrwałe „wyłączenie” półkuli i jeśli jest ona dominująca „językowo” testowany
wykazuje przejściową afazję

•
Badania neuroobrazowania funkcjonalnego z tachistoskopem i inne (Penfield) wskazują na aktywację róŜnych
obszarów kory w czasie mówienia
•RóŜne kategorie słów (ludzie, narzędzia, zwierzęta) maja róŜne „lokalizacje”
•„Ośrodki mowy” prawej półkuli decydują o „prozodii” mowy (ładunku emocjonalnym)

•RównieŜ u chorych głuchych od urodzenia i posługujących się językiem migowym obserwuje się
„lewopółkulowy” charakter języka znakowego i podobne cechy „afazji” w przypadku uszkodzenia lewej półkuli.
–Wniosek: reprezentacje korowe „mowy” dotyczą nie tyle języka ile ogólnego

systemu symboliczno-

komunikacyjnego

Tajemniczy Gyrus angularis (pole Brodmanna 39)

•V.S.Ramachandran uwaŜa, Ŝe g.marginalis jest

odpowiedzialny za

rozumienie metafor.

S twierdził to u chorych z uszkodzeniem lewego z.kątowego którzy

okazywali się nie mieć defektów mowy natomiast nie rozumieli znaczenia metafor – rozumieli jedynie dosłowne
znaczenie przenośni (czy to jest to samo co słynny „skrót myślowy” znanego ministra?).

•Ponadto chorzy zachowywali się odmiennie niŜ ponad 90% populacji w teście Wofganga Kohlera polegającym
na przyporządkowaniu sztucznego słowa „Booba” kształtowi zaokrąglonemu oraz „kiki” kształtowi
kanciastemu. Ma to świadczyć o zaburzeniu zdolności u tych chorych przyporządkowywania bodźców
wzrokowych językowi.
•Ramachandran uwaŜa, Ŝe zakręt kątowy (szczególnie duŜy u człowieka) moŜe pełnic istotną rolę w asocjacji
zmysłu słuchu, wzroku i czucia somatycznego (dotyk).
•Blanke i wsp draŜnieniem elektrycznym g.marginalis wywołali u chorej na padaczkę doznania typu tzw. „out-
of-body-experience” (Blanke i wsp. Stimulating illusory own-body perceptions. Nature, 419:269-270, 2002 )
DOMINACJA POŁKUL
•97% osób wykazuje dominację językową lewej półkuli mózgu (w tym większość leworęcznych!)

•9/10 osób jest praworęcznych ale i u leworęcznych większość ma językową „dominację” lewej półkuli (choć
większość osób z dominacją językową prawej półkuli to osoby leworęczne!).
•Fonemy (w angielskim 40 po ok. połowie spółgłoski i samogłoski)-sylaby-wyrazy
•Niewykluczone, Ŝe fonemy odnoszą się raczej do wyuczonego w czasie nauki czytania nawyku wymawiania
słów uwaŜanego za poprawne a nie do „naturalnych” brzmień mowy (słyszanej)

•Noam Chomsky: język jest zbyt skomplikowany i nie moŜe być po prostu nauczony lecz musi być

„predicated

on „universal grammar””

– „gramatyce” wykształconej w ewolucji naszego gatunku.

•Chomsky unikał neurobiologicznych analogii ale zapewne tą „uniwersalną gramatykę” realizuje ewolucyjne i
genetycznie zaprogramowana specyfika budowy i działania kory mózgu
•Prawdopodobnie analiza języka ludzkiego moŜe dać obraz i pozwolić na zrozumienie jak pracuje mózg tworząc
niezwykłe „urządzenie” pozwalające na wytwarzanie asocjacji (najprawdopodobniej jest to fundamentalna cecha
kory mózgu)

Funkcje kognitywne

FUNKCJE „KOGNITYWNE” TO:

POSTRZEGANIE, PAMIĘĆ, ŚWIADOMOŚĆ, JĘZYK

Ale co właściwie znaczy „MYŚLENIE”,co to znaczy „MYŚLEĆ”, „BYĆ ŚWIADOMYM”,
„SAMOŚWIADOMYM”?

Czy wystarczy spojrzeć w lustro aby „zobaczyć siebie”?
Tzn. nie tylko dostrzec obraz jakiegoś-tam osobnika ale SIEBIE

Czy wystarczy spojrzeć w lustro aby „zobaczyć siebie”, to znaczy uświadomić sobie o „istnieniu siebie”, o
istnieniu czegoś absolutnie unikalnego w całym wszechświecie, unikalnego bytu, unikalnego „JA”, wobec
którego cała reszta wszechświata jest czymś zasadniczo róŜnym?

Jaki układ mózgu powoduje, Ŝe jesteśmy SAMOŚWIADOMI ?

Niewątpliwie wzrok i cały system jego percepcji i analizy jest najbardziej „podejrzany” o istnienie „w
nim”

korelatów świadomości

Ale czy ślepy od urodzenia nie ma poczucia świadomości???!!!
Czy zatem w ogóle trzeba spojrzeć w lustro aby uświadomić sobie o istnieniu siebie, aby dostrzec przepaść
między tym co nazywam „JA” i resztą, czyli „NIE-JA”, aby dostrzec (albo wymyślić) Ŝe istnieje (realnie –

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

98/113

artyficjalnie?) dychotomia między „

podmiotem

-postrzegającym” i „

przedmiotem

-postrzeganym”? -

„Przedmiotem-postrzeganym”, do którego to pojęcia naleŜy równieŜ nasze (całe?) ciało?

[„JA-ŚWIADOME” – VS – „JA-CIELESNE”]

– VS – „NIE-JA”

Gdzie „się mieści” świadomość ?

W poszukiwaniu korelatów świadomości

Neurobiolodzy poszukują tzw. „nerwowych korelatów”

świadomości (neural corrrelates of consciousness), czyli struktur lub miejsc albo specyficznych form
aktywności mózgu, które jeśli nawet nie są jednoznacznie odpowiedzialne za „świadomość” to
przynajmniej są skorelowane ze świadomością

Crick i Koch w 1995 r sformułowali hipotezę, Ŝe funkcją świadomości ciągłe wytwarzanie („on
line”/”live”) moŜliwie najlepszej interpretacji „sceny obejmowanej wzrokiem” (visual scene) w postaci
zwartej (compact) i udostępnianie tej informacji dla „stanów planowania” (planning stages) mózgu.
JuŜ tylko z tego powodu, Ŝe pierwotna kora wzrokowa (V1) nie wykazuje bezpośrednich projekcji do
obszarów przedruchowych i przedczołowych (uwaŜanych za pełniących „funkcje kognitywne”) Crick i
Koch sądzą, Ŝe pole V1 nie jest częścią „korelatów świadomości”

Wiele innych danych równieŜ przemawia

za tym, Ŝe pierwotna kora wzrokowa nie zapewnia świadomej percepcji wzrokowej.

Badania czynności

elektrycznej mózgu (EEG) w czasie snu połączone z funkcjonalnym obrazowaniem MRJ (fMRJ)
wskazują, Ŝe w czasie fazy snu REM (gdy są „obrazowe” sny) aktywność pierwotnej kory wzrokowej (V1)
jest obniŜona. Wiadomo równieŜ, Ŝe u chorych z uszkodzoną korą wzrokową V1 stwierdza się „wizualne
sny”. Wniosek: badania te sugerują, Ŝe kora V1 nie jest odpowiedzialna za świadome odbieranie wraŜeń
wzrokowych.

Zjawisko obuocznej rywalizacji

Eksperymenty z fMRJ w czasie przeprowadzania testów obuocznej rywalizacji równieŜ wskazują, Ŝe to

nie V1 jest aktywna

w czasie „przełączania widzenia” ale obszary brzusznej strefy kory „nieprąŜkowanej”

(otaczającej korę wzrokową i otrzymującej równieŜ bodźce wzrokowe) oraz obszary w płatach
ciemieniowych i przedczołowych (m.in. Związane z kontrolą uwagi przestrzeni).

Nie jest jasne w jaki sposób jakikolwiek proces fizyczny, taki jak aktywność neuronalna moŜe być
źródłem subiektywnego zjawiska jakim jest świadomość.!
Nawet teoretyczna moŜliwość istnienia tego rodzaju związku przyczynowego (między czynnością fizyczną
a świadomością) jest kontrowersyjna nawet dla filozofów!!!
Dlatego poszukiwanie nerwowych korelatów świadomości jest badaniem empirycznym, które powinno
pozostawać (przynajmniej w fazie wstępnej) neutralne wobec problemów przyczynowości ale skupiać się
na identyfikacji i charakteryzowaniu wzorów aktywności, które korelują specyficznie z „doświadczeniem
świadomości” a nie z postrzeganiem lub aktywnością nieświadomą

Świadomość zapewne „rodzi się” z „koherencji” doznań zmysłowych i z „wbudowanej” (hipokamp?)
zdolności inferencji (rozumowania).

Dotykam palcem czoła i czuję jednoczesny sygnał z palca i ze skóry czoła.
Widzę ścianę i powiększające się obrysy kształtów a w chwilę potem doznaję efektów czuciowych bólu i
dotyku w zetknięciu ze ścianą. Stąd nabieram przekonania o rzeczywistości istnienia ściany. W dalszej
konsekwencji nabieram przekonania, Ŝe wszystko to co widzę zapewne realnie istnieje.

(wg mnie w tym

ciągu rozumowania jest wiele „implicitów”)

Reguły wnioskowania (

zasada przechodniości

) dostrzegamy juŜ u szczura. RównieŜ zwierzęta

niewątpliwie doznają efektów „koherencji” doznań czuciowych róŜnej i tej samej „modalności” (np.
wzrok i słuch).
A więc co najmniej są na najlepszej drodze do osiągnięcia stanu świadomości, ale czy równieŜ
„samoświadomości”?

Te pytania dotyczą kluczowych aspektów pojęcia „człowieczeństwa” i (wyróŜników człowieczeństwa) !!!

Sądzę, Ŝe jest jeszcze jeden istotny aspekt (wymiar, rodzaj) świadomości :
Nazwałbym go

„świadomością krytyczną”.

Jest to świadomość wątpliwości, negacja realizmu doznań

czuciowych, świadomość złudzeń, świadomość niepełności (prawdy) doznań czuciowych

•Poglądy Eugene d’Aquili i Andrew Newberg, z Filadelfii*:

–„

kognitywny imperatyw

” ludzkiego umysłu (bardzo trudno „nic nie myśleć”…)

–„

kognitywne operatory

”, które (nie przesądzając o ich lokalizacji – zapewne korowej) charakteryzują

funkcjonowanie ludzkiej kognicji:
•Operator holistyczny (dostrzegać całość)
•Operator redukcjonistyczny (dostrzegać elementy)
•Operator abstrakcji (m.in. taksonomia)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

99/113

•Operator ilościowy („matematyczny”)
•Operator przyczynowości (pytania: „dlaczego”, „z jakiego powodu”)
•Operator binarny (podziałów binarnych, dychotomii, przeciwieństw)
•Operator egzystencjalny (nadający sens i „załoŜenie” istnienia i rzeczywistości doznań czuciowych)
•Operator emocjonalnej wartości
•
•*Eugene d’Aquili i Andrew Newberg „Why God Won’t Go Away: Brain science and the Biology of
Religious Experience”

Poszukiwanie „korelatów świadomości” jest pozornie „neutralne” ale wyobraźmy sobie co człowiek
potrafiłby zrobić gdyby (wydawało by mu się, Ŝe) posiadł taką wiedzę ???

OtóŜ jak kaŜda wiedza i taka wiedza podobnie jak np. wiedza o energii rozszczepienia jąder atomu uranu
moŜe prowadzić do destrukcji

(nazwałbym to „wiedzą letalną”).

W jaki sposób?

Np. spróbowano by sposobów (operacyjnych, farmakologicznych, genetycznych) do celowego wyłączenia
świadomości !!!

Po co?

Np. aby znieść lęk śmierci u Ŝołnierzy ...
Aby ... ... „bardziej HUMANITARNIE (??)” zabić ...
Nie mówiąc juŜ o tym co by moŜna zrobić gdyby móc poznać TREŚĆ ŚWIADOMOŚCI...

Dla lekarza istotne jest aby człowiek, (umownie zwany „pacjentem”) którym lekarz się zajmuje (to szerzej
niŜ tylko „leczy”) nie był postrzegany jako (kolejny) metaboliczno-biochemiczno-genetyczno-
molekularno-patologiczny „PRZYPADEK” ale BYT ŚWIADOMY

To jest postulat humanistyczny !!

Nie mam nic przeciwko temu, aby podobny stosunek do pacjenta charakteryzował równieŜ
WETERYNARZA ! (nie moŜemy wykluczyć, Ŝe i zwierzęta mają świadomość, choć prawdopodobnie
„częściową” w stosunku do ludzkiej).

Gdy spotykamy chorego (ale niekoniecznie) – po prostu - człowieka pamiętajmy, Ŝe

nie

jest to

„humanoidny metaboliczny komputer” działający w schemacie „INPUT-PROCESSING-OUTPUT”.
POSTULAT „DOMNIEMANIA ŚWIADOMOŚCI” (analog „domniemania niewinności” w procesie
sądowo-karnym) – wynikający z moralnej normy: lepiej zaniechać wymierzenia kary niŜ ryzykować
skrzywdzenie niewinnego.

Neuroteologia

… czyli co

w rodzaju Gagarina za monitorem tomografu MRJ…

•W obszarze które nazwałbym „zagadnieniami krańcowymi” tkwi „neuroteologia” (termin wg. Wikipedia
po raz pierwszy uŜyty przez Aldous Huxley’a w ksiąŜce „Island” 1962)

•„NEUROTEOLOGIA”:
–Neurobiologiczne podstawy przeŜyć religijnych - próby dociekań co w mózgu, koreluje („wywołuje”?) z
przeŜyciami religijnymi. Jest zatem „(neuro)biologia duchowości”.–Poszukiwania „modułu Boga” w mózgu
–

–Uwagi własne:

–Wydaje się, Ŝe jak na razie „neuroteologia” jest raczej intrygującym „słowem-haczykiem” które (głównie
intuicyjnie) nieźle wskazuje na takie obszary neurobiologii i nauk pokrewnych, które dotyczą choćby w pośredni
sposób zagadnień religii. Z pewnością nie jest to jak na razie w pełni samodzielna gałąź nauki (złośliwi skłonni
są raczej zaliczać neuroteologię do pseudonauk).
–Wg mnie jeśli jest jakikolwiek sens w poszukiwaniu toposu (bardziej „przyziemnie” – lokalizacji…) ducha-
duchowości to miejscem, w którym to naleŜy robić jest oczywiście mózg. MoŜna jednak zadać w związku z tym
pytanie: CZY PŁÓD BEZMÓZGOWY MA „DUSZĘ”…?
– Jeśli prawdą jest, Ŝe kiedyś-tam teologowie toczyli debaty ile aniołów moŜe zmieścić się w łebku szpilki,
czemóŜby nie mogli (wspólnie z neurobiologami itp) zastanowić się np. nad tym ile neuronów wystarczy aby
„osiedlił się” (?) w nich duch-dusza …? Problem chyba nie jest z punktu widzenia religii i teologii błahy i w
gruncie rzeczy wiąŜe się chociaŜby z powyŜej wspomnianym zagadnieniem duszy płodu bezmózgowego
(anencephalon) …?

–Zagadnienia te przedstawiam w ramach neurobiologii raczej jako „ciekawostkę”
próbując znaleźć właściwą dla nich miarę i traktuje te zagadnienia raczej jako zachętę
do własnych przemyśleń studentów.

Badania i poglądy „neuroteologiczne” d’Aquili i Newberga

Jeśli załoŜyć, Ŝe obszar tylnej górnej części płata ciemieniowego lewego nazwane przez Eugene d’Aquili i
Andrew Newberga „ORIENTATION ASSOCIATION AREA” jest (po stronie lewej) miejscem

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

100/113

odpowiedzialnym za wytwarzanie poczucia „self” mającego zaznaczone granice przestrzenne i umiejscowionego
w konkretnej przestrzeni i czasie (to raczej strona prawa) a inny obszar (kora przedczołowa) jest miejscem
(m.in.) kontroli uwagi i decyzji wolicjonalnych („ATTENTION ASSOCIATION AREA”) obserwacje stopnia
aktywacji tych obszarów mogą rzucić światło na pracę mózgu w stanach związanych ze „zmienioną
świadomością” np. w stanach religijnego transu.

Eugene d’Aquili i Andrew Newberg, z Filadelfii, autorzy m.in. „The Mystical Mind: Probing the

Biology of Religious Experience” oraz „Why God Won’t Go Away: Brain science and the Biology of Religious
Experience” w latach 90-tych badali aktywność mózgu w czasie religijnych przeŜyć przy pomocy
funkcjonalnego obrazowania czynności mózgu (SPECT). Badano modlące się zakonnice franciszkanki oraz
medytujących mnichów buddyjskich.
Badania ich wskazują, Ŝe w czasie religijnego przeŜycia silnie aktywowane są obszary czołowe (odpowiedzialne
m.in. za koncentrację uwagi „ATTENTION ASSOCIATION AREA”) natomiast

zmniejszona aktywność

dotyczy obszarów w tylnej górnej części płatów ciemieniowych w

lewej półkuli

mózgu (odpowiedzialnych za

orientację w czasie i przestrzeni „ORIENTATION ASSOCIATION AREA”).
d’Aquili i Newberg uwaŜają, Ŝe tzw. „stany unitarne” („jedności

z wszechbytem”)

są skutkiem „deafferentacji”

(odcięcia doznań czuciowych) ORIENTATION ASSOCIATION AREA przy jednoczesnej silnej aktywności
ATTENTION ASSOCIATION AREA. W rezultacie wytwarza się stan „awareness without self”.

Stany te są spokrewnione z reakcjami seksualnej przyjemności.
One teŜ są „zdrowotną” metodą relaksacji i zarazem bardzo starym nabytkiem ewolucyjnym.
Autorzy ci m.in. uwaŜają, Ŝe róŜne przeŜycia chorych w stanie „near death” („śycie po Ŝyciu”) mają charakter
neurologiczny oraz uznają równowaŜność mózg i umysł (brain and mind).

Neurobiologia stanów mistycznych
wg. Eugene d’Aquili i Andrew Newberg

•MoŜliwość osiągania róŜnego stopnia stanów unitarnych („unitary continuum” – okr. d’Aquili i Newberga) i
związanej z nimi „deafferentacji” ORIENTATION ASSOCIATION AREA (OAA).

•Dzieje się to np. na skutek oddziaływania rytmicznych („ritual”) bodźców stymulujących układ limbiczny i
autonomiczny (prowadzą one do aktywacji działania hipokampa w taki sposób, Ŝe blokuje OAA).
•Stany unitarne osiągane są na drodze „biernej” (np. zachwyt nad czymś) i czynnej medytacji (gdzie d’Aquili i
Newberg równieŜ rozróŜniają techniki bierne – i aktywne) następny slajd
••„Płytkie stany mistyczne-unitarne” (okr. moje na podstawie d’Aquili i Newberga) – wszystkie cechuje róŜnego
stopnia redukcja „ego” o poczucie „absorpcji” siebie (self) przez rodzaj szerszej rzeczywistości. Np. publiczność
„porwana” przez występ artysty
–Zachwyt nad pięknem
–Trans
–ekstaza
•Głębokie stany mistyczno-unitarne:
–„Unio Mystica”
–Krańcowy stan unitarny (Absolute Unitary State - AUB)

Neurobiologia medytacji

wg. Eugene d’Aquili i Andrew Newberg

–Bierne techniki medytacji:

wola „oczyszczenia umysłu” z myśli, emocji i percepcji

•Aktywacja wolicjonalnego PRAWEGO OBSZARU ASOCJACYJNEGO UWAGI, który poprzez WZGÓRZE
oddziałuje na HIPOKAMP w taki sposób, Ŝe blokuje input czuciowy m.in. do OAA (obszar asocjacyjny
orientacji). OAE staje się „deafferented”.  Z „deaferentowanego” OAA impulsacja oddziałuje na UKŁAD
LIMBICZNY I PODWZGÓRZE prowadząc do emocjonalnego uspokojenia
•Całkowite odcięcie (deaferentacja) OAA w obu półkulach powoduje:
–po stronie prawej – oznacza to brak impulsacji koniecznej w tworzezniu przestrzennego-topologicznego
umiejscowienia „self” (w zwiazku z tym nastepuje utrata poczucia miejsca i czasu);
–po stronie lewej deaferentacja OAA oznacza całkowity zanik granic „self” (w praktyce zanik poczucia samego
siebie. („awareness without self”)
–W rezultacie następuje „absolute sense of unity” („nirvana”)
–

–Czynne techniki medytacji:

skupienie myśli na określonym obiekcie (zwł sakralnym) i

jego kontemplacji.

d’Aquili i Newberg podają nieco inny przebieg aktywności w mózgu niŜ w technikach biernych medytacji ale
rezultat jest zasadniczo ten sam: redukcja „self” i poczucie stanu unitarnego

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

102/113

Uwagi na zakończenie wykładów
z neurobiologii

Neurobiologia musi w takim czy innym miejscu dotrzeć do zagadnień, które określiłbym „zagadnieniami
krańca” (krańca „materialnej neurofizjologii”).

Są to zagadnienia takie jak dychotomia „umysł-mózg” oraz problemy związane ze świadomością.

Zaznaczam, Ŝe to nie są jedyne zagadnienia typu „krańcowego” w biologii i medycynie, bo np. podobnie
„krańcowym” zagadnieniem jest np. „problem definicji Ŝycia” (co jest Ŝywe a co jest martwe..., orzeczenie
śmierci, śmierci mózgu etc), powstania Ŝycia, ewolucji etc.

Wspólną cechą tych wszystkich „krańcowych” problemów jest ich związek z filozofią, wnioski o znaczeniu
etycznym (moralnym) jak równieŜ duŜy wpływ etyki-moralności na sam sposób rozwiązywania tych zagadnień,
a wreszcie interpretacja wyników badań obarczona silnym „skrzywieniem” (raczej po prostu „wpływem” co
brzmi bardziej neutralnie) religijnym (ang. „religious bias”)
DLA LEKARZA NIE SĄ TO TYLKO PROBLEMY „TEORETYCZNE”

Zawód lekarza, do którego się przygotowujecie jest „zatopiony” w tych problemach.

Przykład jeden z najprostszych:

będziecie musieli „stwierdzić zgon” i wystawić odpowiedni dokument…

A propos świadomości
Człowiek pragnący poznać rzeczywiste „ja” drugiego człowieka jest podobny do kogoś kto jest np. pozbawiony
jakiegoś zmysłu i jest zdany wyłącznie na pośrednie poznanie czym ten zmysł jest. Np. człowiek niewidomy od
urodzenia moŜe sobie jakoś wyobrazić widzenie i świat wokół oraz siebie ale to nie to samo co naprawdę
zobaczyć !!!

A zatem usiłując poznać świadomość drugiej osoby stoimy na pozycji głuchego, któremu „na migi” tłumaczą na
czym polega świat dźwięków.
(Przykłady o domyślaniu się przez małpę bonobo myśli człowieka lub małpiej „mowy”, wyobraźni
niekoniecznie trafne – jest bardzo prawdopodobne,Ŝe są to po prostu efekty asocjatywnego uczenia)
Być moŜe jeśli nie dowodem, to bardzo silną przesłanką przemawiającą za lub przeciw świadomym procesom
jest coś co nazwałbym roboczo

„neurobiologicznym kryterium transcendencji”

Chodzi o to czy dana istota zachowuje się tylko wyłącznie na bazie odruchowej. Czy jej zachowania moŜna
wytłumaczyć i opisać w postaci deterministycznej „przestrzeni odruchowo-behawioralnej” (hipotetyczny rodzaj
matematycznej formuły zbioru zdarzeń i relacji między nimi). Czy teŜ dana istota potrafi „wyzwolić się” od
mechanizmów odruchowych.
ALE... Rodzi się pytanie:

Czy sam człowiek rzeczywiście spełnia takie „neurobiologiczne kryterium transcendencji” ???

W układzie nerwowym dominuje przetwarzanie informacji

(input – processing – output) ale

mózg to nie tylko ładunki elektryczne...

Mózg jest teŜ częściowo „narządem wydzielniczym” (nie tylko dlatego, Ŝe podwzgórze wytwarza i wydziela
neurohormony ale takŜe poniewaŜ wiele innych komórek nerwowych wydziela róŜne substancje nie tylko
pełniące funkcje neurotransmitera

w ścisłym znaczniu

(neurohormony, czynniki wzrostu, „nieklasyczne”

neurotransmitery). Pamiętajmy teŜ, Ŝe w związku z intensywnym spalaniem glukozy na potrzeby energetyczne
mózg w gruncie rzeczy „wydziela” duŜo wody i dwutlenku węgla – stąd uzasadniony niejako jest Ŝart o
„uderzaniu wody sodowej do głowy…”. (woda sodowa to przecieŜ woda i dwutlenek węgla…)

Aktywność natury elektrycznej (elektromagnetycznej – uwaga n.t.TMS) choć tak spektakularnie nasuwająca
analogie z

„mózgiem elektronowym”

(to zapomniana pierwsza popularna nazwa komputerów) jest najściślej

powiązana z procesami natury (bio)chemicznej oraz z aparatem genetycznym, który takŜe jest sui generis
systemem informatycznym (przechowuje, udostępnia, koryguje, kontroluje informację zawartą w DNA i RNA).
MoŜna więc śmiało zaryzykować tezę, Ŝe

(jeŜeli) myślenie jest funkcją mózgu

, to nie jest tylko funkcją

„galaktyk neuronów i synaps” działających na podobieństwo „gugolicznej” centrali telefonicznej ale jest w

równym stopniu funkcją metaboliczno-genetyczno-biochemiczną („googol”= 10100 E. Kasner 1878 –1955
Amer. matematyk)

Lekarz musi znać i w sposób ustawiczny pogłębiać wiedzę (farmakologiczno-patofizjologiczną-molekularno-
genetyczną etc)

To jest równieŜ wymóg deontologiczny (w kodeksie i przysiędze lekarza)
Ale koniecznie trzeba aby „w świadomości lekarza” (jego zakręt obręczy...?) była stała gotowość i stały alert do
refleksji, Ŝe nie chodzi tylko o molekuły, komórki i procesy ale, Ŝe ma kontakt z

tajemniczą głębią

samoświadomego bytu.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

103/113

Trzeba pamiętać Ŝe między skomplikowaną impulsacją neuronalną, skomplikowaną grą metaboliczno-
genetyczną neuromediatorów, receptorów, wtórnych neuromediatorów, czynników tranksypcyjnych a
rzeczywistym świadomym doznaniem „bodźca” istnieje być moŜe niepoznawalna (do końca) przepaść.

UWAGI NA TEMAT MOWY-JĘZYKA
MoŜna by nieskończenie opowiadać o treści i pięknie obrazu ale nic nie zastąpi obejrzenia go...
Tym niemniej „myślimy słowami” i komunikujemy się słowami (to jest jeden z wykładników „umysłu” i
człowieczeństwa) i w słowach próbujemy opisać wszystko.
UWAGA!

Słowami komunikujemy się takŜe ZE SOBĄ

(nie tylko z innymi!).

„Słowa nasze, nawet co

waŜniejsze słowo ściera się w uŜyciu jak ubiór co sparciał...” W.Majakowski tłum S.Pollak (Majakowski pisał
bzdury, ale jak pięknie, jak ekspresyjnie…)

Umysł na bieŜąco („on-line”) stale komentuje percepcję

rzeczywistości, czyli to co postrzegają zmysły. Komentuje to w postaci SŁOWNEJ!

Jest to stały wewnętrzny dialog (czasem przechodzący w dialog „głośny” z innymi lub z samym sobą).
Ten dialog-monolog tworzy syntezę i semantyczną systematykę która jest zapamiętywana.

„Myślenie słowami” („słowa nas mówią” - lingwiści) jest wg mnie jeśli nie najwaŜniejszym to jednym z
najwaŜniejszych mechanizmów samo-świadomości poniewaŜ jest to DIALOG-Z-SOBĄ czyli procedura
zakładająca przynajmniej częściowe funkcjonowanie „pseudo-dwóch-JA”.

Procedura ta nadmiernie izolując „dwa-JA” moŜe prowadzić do „rozdwojenia jaźni”, do „niezgody z sobą” itp.
często autodestrukcyjnych (choć niekoniecznie) syndromów.

KTO DO MNIE MÓWI ? Czy zawsze wiemy? Czy zawsze prawidłowo identyfikujemy?

•Dzięki (wyjaśniającym-komentującym) słowom odkrywamy więcej niŜ jest „bezpośrednio
dane” w doznaniu zmysłowym.
•Przykład muzyczny.... („fuga Ŝycia”)

Das Wohltemperierte Klavier („Komentarz” do fugi No.4 cis-moll J.S.Bacha)

(...)
Fuga czwarta cis-moll, z pierwszego tomu „Das Wohltemperierte Klavier” ...
(...)
Temat fugi i następne jego przeprowadzenia są niczym błądzenie po omacku,
Pełne smutku i lęku chodzenie „ciemną doliną”...
Zdaje się, Ŝe usłyszeć w nich teŜ moŜna coś, co przypomina prośbę, wołanie o pomoc?
Zarazem jakby rezygnację, zwątpienie...

I tak pośród początkowego zamętu, niepewności, zaciemnienia, zabłądzenia,
Nagle zjawia się drugi temat...(niektórzy twierdza, Ŝe jest to trzeci )

Osiem dźwięków, z których pierwsze dwa stanowią skok o kwartę czystą w górę,
Dwa następne są dokładnym powtórzeniem drugiego...
Tylko osiem dźwięków... a jakiŜ niesamowity efekt!
Jakby nieoczekiwana jasność pojawiła się pośród głębokiej nocy.
Jakby nagłe ukazanie się księŜyca w pełni, wcześniej spowitego przez gęste chmury...
Te osiem dźwięków...
Rozbłyska jak snop światła,
Wskazówka,
Morska latarnia,
Muzyczne: „NIE LĘKAJ SIĘ, OTO JESTEM, JESTEM Z TOBĄ...”!

Nie jest odrzucone to ośmiodźwiękowe „SŁOWO”.
(NIE-LĘKAJ-SIĘ-OTO-JESTEM-JESTEM-Z-TOBĄ)
Nowy motyw, przenika i oświetla całą resztę fugi.
Oświetla, ale przecieŜ nie oślepia i nie likwiduje ciemności!
Mrok i niepokój początkowego tematu pozostaje obecny do samego końca...
SŁOWO jest jednak przyjęte,
Na trwale zaakceptowane, ustawicznie rozwaŜane, chronione.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

105/113

Dodatek nr. 1

Bariera krew-mózg i jej zaburzenia

Komórki endotelium wytwarzające BBB wykazują bardzo wysoką opór elektryczny do
8000 Ω cm

−2

, co upodabnia je do komórek nabłonkowych.

Komórka endotelium w mózgu odpowiedzialna za wytworzenie bariery krew-mózg jest „spolaryzowana” –
posiada bowiem inny zestaw białek transporterowychw błonie od strony krwi i inny w błonie od strony
mózgu.(rycina powyŜej).Aminokwasy (AA) i glukza (G) przechodzą biernie z krwi do płynu pozakomórkowego z
pomocą systemów przenośnikowych obecnych w obu częściach błony komórkowej endotelium czyli od strony
krwi i od strony mózgu (L, y

, G). ZaleŜny od sodu transport aminokwasów jest obecny w błonie „abluminalnej”

(od strony mózgu). Są to transportery oznaczone jako A i B

o,+

. Wydaje się więc słuŜyć ograniczeniu napływu

pewnych aminokwasów. Transportery dla glutaminianu (Glu) usuwaja Glu z mózgu Razem z systemem
transportowym dla glutaminy (Gln, N) systemy te biorą udział w regulacji równowagi azotu. Ponadto
transportery takie jak Na

antiporter, Na channel, Na

adenosine triphosphatase w obu częściach błony

komórkowej endotelium (luminal i abluminal) ułątwiają kierunek przepływu płynu od krwi do mózgu.

150ml PMR (u dorosłych)

z tego:
ok. 25 ml w komorach
ok. 125 ml w przestrz. podpaj.
(30 ml okołordzeniowo)

Wytwarzanie PMR 500ml/doba

Na+ aktywnie transportowany do CSF „pociąga” Cl- i wodę

W porównaniu z osoczem:

ciśnienie osmotyczne takie samo
Znacznie mniej białek (kilkaset x)
K, Ca, glukoza 30-50% mniej
Cl, Mg nieco wyŜsze niŜ w osoczu,

Wodogłowie

Blok odpływu lub nadprodukcja PMR lub
Zanik mózgu („hydrocephalus ex vacuo”)
Nowotwór lub guz nienowotworowy, zapalenie, włóknienie i zrosty oponowe, zwęŜenie wodociągu mózgu
U dzieci są dodatkowe liczne przyczyny wodogłowia takie jak malformacje.

•

Bariera krew-mózg/rdzeń

–Blokowane substancje hydrofilne
–Mogą przechodzić substancje lipofilne do ok. 500 Da (eter, alkohol, fenytoina, pentobarbital, kofeina, nikotyna
itp.)
–Istnieją liczne mechanizmy transporterowe
•Bariera krew-PMR
–Przepuszczalna (relatywnie) dla hydrofilnych makromolekuł (np. białka)
–Albuminy (200x mniejsze stęŜenie w PMR niŜ w surowicy) są uŜywane jako markery funkcji barierowych
–Lipofilność takŜe ułatwia przechodzenie wielu np. leków, antybiotyków, cytostatyków
•Przestrzeń międzykomórkowa w strefie kontaktującej się z PMR (na głębokość maks. paru milimetrów)
prawdopodobnie jest składem zbliŜona do PMR.

•Ponad 80% białek PMR pochodzi w surowicy (albuminy pochodzą wyłącznie z surowicy)

•Pozostałe to:
–Immunoglobuliny - częściowo intratekalnie syntetyzowane przez limfocyty (stanowią 5-12% białek PMR)
–Inne białka syntetyzowane lokalnie (głównie w splotach nacz.) i dostające się do PMR:
•syntetaza D prostaglandyn (10mg/L) (sploty i opony)
•Transtyretyna (17 mg/L + 1 mg/L z surowicy) (prealbumina)
•τ-transferyna (6 mg/L)
•Cystatyna C (6 mg/L)
•–białka parenchymy OUN

Indeks albumin Ralb = AlbPMR/Albsurowica - wskaźnik bariery krew-PMR i wymiany PMR

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

106/113

•Norma: Ralb poniŜej 0,007 (noworodek 0,05; 1 mieś 0,015; od 6 mieś do 20 lat max. 0,005; do 40 lat max.
0,0065; do 60 lat max. 0,008)

Indeks albumin w róŜnych stanach chorobowych:•
Uszkodzenie niewielkiego stopnia (do 0,01)
–SM, HIV-encephalitis, Herpes-zoster ganglionitis, polineuropatia alkoholowa, SLA
•Uszkodzenie umiarkowanego stopnia (do 0,02)
–Meningitis virusalis, polineuropatia cukrzycowa, zawał mózgu, róŜne stany z rozległym zanikiem kory
•Uszkodzenie duŜego i bardzo duŜego stopnia (ponad 0,02)
–S. Guillain-Barre, Meningopolineuritis boreliozowe, HSV-encephalitis,
–Meningitis TBC, meningitis purulenta (nawet ponad 0,1)
•Ponadto Ralb wzrasta w przypadkach bloku przepływu PMR w kanale kr. (brak wymiany PMR) np. w guzach
rdzenia, dyskopatiach i innych zmianach nawet do wartości ponad 0,1

Ocena Ralb nie pozwala na rozróŜnienie między zaburzeniem bariery krew-PMR oraz blokiem przepływu i
wymiany PMR

•Próbą pokonania tej trudności jest stosowanie „wskaźnika ICAM” (ICAM index)

•ICAM-1 = intercellular adhesion molecule -1
•Ekspresja tego białka w endoteliach jest indukowana przez prozapalne cytokiny (IL-1, TNFα, IFNγ)
•Białko jest wtedy uwalniane do PMR
•ICAM-1 osiąga wartości w PMR: 44 µg/L (meningitis) 4,5 µg/L (SM), 16,2 µg/L (s. Guillain-Barre)
•ICAM index w niezapalnych chorobach wynosi do 0,7, w SM 1,0, w zapaleniach opon 1,5 – 1,7

Wykrywanie lokalnej intratekalnej syntezy immunoglobulin
•Ralb = AlbPMR/Albsurowica (poniŜej 0,007)
•RIgG = IgGPMR/IgGsurowica
•Indeks IgG = RIgG / Ralb (poniŜej 0,7)

W których miejscach (częściowo) nie funkcjonuje bariera Krew-Mózg

(tzw. CIRCUMVENTRICULAR ORGANS)

Obszary w któych BBB jest słaba nazywane są „narządami okołokomorowymi” "circumventricular
organs". Dzięki nim mózg moŜe monitorować skład krwi. Są to:

Szyszynka

wydziela melatoninę i peptydy neuroaktywne. Rola w cyklu dobowym (circadian)

Tylna (nerwowa) część przysadki. Neurohypophysis (posterior pituitary)

Uwalnia neurohormony

(oxytocna i wzopresyna

Area postrema

„Centrum wymiotów” : umoŜliwia częsciową obronę przed toksycznymi substancjami

poprzed uruchomienie odruchu wymiotnego

Narząd podsklepieniowy Subfornical organ

Gra rolę w regulacji płynów ustrojowych.

Vascular organ of the lamina terminalis

OVLT

Obszar chemoreceptorowy (detekcja róŜnych peptydów i

innych molekuł).

Wyniosłość pośrodkowa Median eminence

Reguluje przednią część przysadki poprzez uwalnianie

neurohormonów.

Subcallosal organ SCO -

ma znaczenie w Ŝyciu płodowym.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

107/113

Dodatek nr. 2
Sen i czuwanie

Po co sen? Czym jest sen?

•Wartość i znaczenie snu moŜna poznać pośrednio, poprzez następstwa często spotykanych zaburzeń snu (insomnia, sleep
apnea syndrome, narkolepsja).

•Pozbawienie snu prowadzi do śmierci (fatal familial insomnia). NajdłuŜszy okres bezsenności u młodego ochotnika bez
farmakologicznego „wspomagania” wyniósł 453 godz.  ok. 19 dni., po którym to czasie po kilku dniach dłuŜszych niŜ
zwykle  okresach spania powrócił do normalnego cyklu snu bez zauwaŜalnych oznak utraty zdrowia.
•Wartość snu musi być istotna chociaŜby dlatego, Ŝe teoretycznie zmniejsza szanse na przeŜycie zwierzęcia…?
•Sen nie jest prostym obniŜeniem aktywności układu nerwowego lecz raczej czymś co (być moŜe) moŜna by porównać do
aktywności w supermarkecie po godzinach otwarcia lub urzędzie w godzinach gdzie nie przyjmuje się interesantów…
•Sen jest raczej serią-sekwencją ściśle kontrolowanych (głównie przez niektóre jądra pnia mózgu) stanów aktywności mózgu,
które najłatwiej prześledzić w elektroencefalografie.
•Okresowość sen-czuwanie z grubsza pokrywa się z cyklem nocy i dnia przy czym „zegar wewnętrzny” w przypadku
odcięcia bodźców z zewnątrz „ustawia się” na cykl 26 godzinny (eksperymenty z ludźmi zamkniętymi bez dostępu do
informacji o dniu lub nocy).
•Cykl dobowy (cirkadialny) dotyczy całego ciała m.in. poprzez dobowe cykliczne zmiany wielu parametrów np. poziomy
hormonów, temperatura ciała

•

Zwierzęta pozbawiane snu tracą wagę pomimo zwiększenia przyjmowania pokarmu oraz tracą regulację

temperatury ciała (wzrasta), stają się podatniejsze na infekcje.

•Szczury po kilku tygodniach deprywacji snu giną.
•Zwierzęta drapieŜne sypiają długo (w noc lub dzień w zaleŜności od typu aktywności). Zwierzęta które
stanowią pokarm drapieŜników (np.zając) śpią bardzo mało w postaci niekiedy kilkuminutowych „drzemek”.
•Delfiny i foki zasypiają naprzemiennie jedną półkulą mózgu.

Drogi sygnalizacji dobowych zmian światła

•Specyficzne światłoczułe komórki zwojowe siatkówki które w przciwieństwie do czopków i pręcików ulegają
depolaryzacji pod wpływem światła i zawierają inny pigment – tzw.

melanopsin.

•Następnie pobudzenie biegnie drogą

siatkówkowo-podwzgórzową

do jądra

n.suprachiasmatic

(„centrum

rytmów okołodobowych”)
•Następną „stacją” są kolejno: A) jądro N.paraventricularis podwzgórza B) neurony przedzwojowe ukł.
symatycznego w rdzeniu szyjnym, C) zwój szyjny górny, D) szyszynka, która (gdy jest noc) wzmaga syntezę
MELATONINY

Stadia snu w EEG

Badania EEG ujawniły, Ŝe sen nie jest prostym „wyłączeniem” szeregu funkcji mózgu ale zaprogramowaną
sekwencją zmian czynności.
W ciągu pierwszej godziny stopniowo amplituda fal EEG zwiększa się a jednocześnie zmniejsza się
częstotliwość.
W fazie II występują okresowe zwiększone wyłądowania (tzw. wrzeciona senne trwające po kilka sekund)
Najgłębszy sen występuje w tzw. fazie IV charakteryzującej się falami „delta” (wolne, 0,5 – 2 Hz o wysokiej
amplitudzie – świadczące o synchronizacji aktywności elektrycznej neuronów kory).
Po fazie IV następuje faza snu REM (rapid eye movement) trwająca ok.. 10 min. W której EEG przypomina
normalną aktywność dzienną (tzw. rytm beta 15-60 Hz amplituda ok.. 30 mikroVolt)

Cykl zmian i faz snu (odpowiadających „głębokości” snu) powtarza się ale zwykle w ciągu 1 nocy faza IV
(najgłębszy sen) występuje tylko 2 razy.

Kolejne fazy REM są coraz dłuŜsze.
Fazom snu towarzyszą liczne zmiany funkcjonowania całego ciała
W całym okresie snu non-REM (fazy I-IV) obniŜa się napięcie mięśni, częstotliwość tętna, oddechu, spada
ciśnienie tętnicze, temperatura i metabolizm (najniŜsze wartości w fazie IV). Występują powolne ruchy gałek
ocznych.
W fazie snu REM w/w parametry wracają niemal do stanu czuwania a ponadto występują: gwałtowne ruchy
gałek ocznych, skurcze drobnych mięśni palców, erekcja oraz marzenia senne.
Uwaga! Przypadki somnabulizmu oraz mówienia przez sen nie występują w fazie REM (a zatem nie w fazie
marzeń…!). Marzenia senne występują takŜe w fazach non-REM.
W 60% treść snów jest smutna lub przygnębiająca a tylko w 10% dotyczy seksu!

Sen –REM : „aktywny umysł w nieaktywnym ciele…”

Wybitnie obniŜona aktywność ruchowa mięśni (oprócz wspomnianych mięśni oczu i palców) spowodowana jest
silną aktywnością neuronów GABA-ergicznych tworu siatkowatego mostu, które hamują dolne motoneurony
rdzenia.
Ponadto te same neurony hamują neurony czuciowe rogów tylnych rdzenia.

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

109/113

DODATEK Nr 3:

Schorzenia, w których stwierdzono lub podejrzewa się istotną rolę mechanizmów
ekscytotoksycznych

Udar (niedokrwienie) mózgu

Otępienie naczyniopochodne (multi-infarct)
Uraz mózgu i rdzenia
Padaczka
Choroby zwyrodnieniowe

ch. Alzheimera, ch. Parkinsona, stwardnienie zanikowe boczne (ALS), pląsawica Huntingtona

Rasmussen encephalitis
Stwardnienie rozsiane
Schizofrenia

GLU w niedokrwieniu (niedotlenieniu)

Czynnikiem uwalniającym GLU moŜe być:

utrata zasobów energetycznych przez komórki, spadek produkcji ATP w mitochondriach ?

zaburzenie działania pomp jonowych

Wzrost GLU pozakomórkowego Aktywacja receptorów

Napływ jonów Ca2+ do komórek Aktywacja syntazy NO i innych enzymów (fosfolipaza A2)

Wzrost wolnych rodników

GLU 100-500 mikromoli/L prowadzi do martwicy w hodowli neuronów
GLU 20 mikromoli/L prowadzi do ich apoptozy
Eksperymentalny bloker NMDA MK-801 (dizocilpine) zmniejsza uszkodzenie poischemiczne,
pohipoglikemiczne i pourazowe
Podobne działanie (i mechanizm) ma nimodypina
Niestety, blokery receptorów GLU mają działania uboczne (represja normalnej neurotransmisji)

GLU w padaczce

JuŜ w latach 50-tych stwierdzono, Ŝe drgawki moŜna wywołać podając GLU na korę mózgową psa.

Wykazano hamowanie aktywności drgawkowej zarówno przez antagonistów receptora NMDA oraz AMPA.
Korzystne jest zastosowanie kombinacji zwłaszcza substancji blokujących receptor AMPA z lekami
przeciwpadaczkowymi (fenobarbital, fenytoina, karbamazepina, walproinian).
Są nadzieje na zastosowanie inhibitorów receptoraów metabotropowych

Rasmussen encephalitis

Stwierdzono obecność przeciwciał z krwi obwodowej przeciwko podjednostce GluR3 receptora AMPA co
ma prowadzić do uszkodzenie ekscytotoksycznego neuronów kory mózgu (Rogers SW i wsp. Science 265,
648-651, 1994; He XP i wsp. Neuron, 20, 153-163, 1998)

Stwierdzono równieŜ obecność p-ciał przeciw białku synaptycznemu Munc-18 co prowadzi do
zaburzonego przewodnictwa (Yang R i wsp. Neuron, 28, 375-383, 2000)

Stwardnienie rozsiane

Niszczenie oligodendrocytów (które jak wiadomo posiadają receptory glutaminergiczne, zwł. AMPA i
kainianowe) moŜe być spowodowane przez Glu uwalniany w duŜych ilościach przez aktywowane komórki
układu odpornościowego. Podawanie NBQX (blokera AMPA) myszom z experimental autoimmune encephalitis
zmniejszało objawy oraz uszkodzenie oligodendrocytów (Pitt i wsp. Nat Med 2000 Jan;6(1):67-70 ).

Ekscytotoksyczność moŜe zatem brać udział w autoimmunologicznej demielinizacji.

Rola kwasu glutaminowego

w nowotworach OUN

Glu stymuluje proliferacj

komórek nowotworowych a efekt ten blokowany jest przez

antagonistów Glu (MK-801, memantyna)
Glejaki wytwarzaj

ce i wydzielaj

ce Glu rosn

nawet 15x szybciej ni

nie wdzielaj

ce Glu

(Takano i wsp. Nature Med.. 2001, Rzeski i wsp. Proc NA Sci USA 2001)

GLU w schizofrenii

Postuluje się hypofunkcję receptorów NMDA w korze limbicznej.

MK-801 (bloker NMDA) wywoływał degenerację w tym obszarze kory.
(Teoria hypofunkcji układu glutamatergicznego)

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

110/113

„Dysinhibicja” transmisji NMDA ma prowadzić do nadmiernej stymulacji receptorów AMPA i
ekscytotoksyczności.
Fencyklidyna, ketamina – antagoniści NMDA mogą indukować psychozę podobną do schi.
Postępującej hypofunkcji receptorów NMDA przypisuje się teŜ rolę w osłabieniu pamięci i innych procesach
starzenia mózgu.
ZauwaŜono zwiększenie ekspresji EAAT1-2 we wzgórzach chorych na schi.

Neurotoksyny

•Toksyny działające na kanały jonowe

–Tetrodotoksyna (TTX) puffer fish – blokowanie kanału Na+

•Toksyny działające na uwalnianie

neurotransmitera

–Botulinum toxin (Bacteria) Blokuje uwalnianie acetylcholine

–Crotoxin

S. (American

Rattlesnake) redukuje uwalnianie acetylcholine

–Calciseptine (Black Mamba) Blokuje voltage-gated calcium channels

•Toksyny działające na

receptory postsynaptyczne

–α-bungarotoxin (Krait snake) Blokuje acetylcholine (nicotinic) receptor

•Toksyny działające na kanały

jonowe (pochodzą od zwierząt lub roślin):

•

WaŜniejsze toksyny kanałów jonowych dla Na+ (najbardziej poznane i najczęściej stosowane
w badaniach eksperymentalnych)

–Tetrodotoksyna (TTX) puffer fish – blokowanie kanału Na+–Saxitoxin – kanał Na (Dinoflagellatae)
działanie j.w.
–α-toxin (skorpion) – spowalnia inaktywację kan. Na; wydłuŜenie Pcz,
–β-toxin (skorpion) – zmienia zaleŜność napięciową
–Batrachotoxin (Ŝaby z Pd Am) – blokuje inaktywację kan. Na
–Akonityna (Buttercups - jaskier) – działnie podobne j.w.

–Weratrydyna (lilie) - działanie podobne j.w.•

WaŜniejsze toksyny działające na kanał K+ (wszystkie

znane działają blokująco)

–Dendrotoxin (osy)

–Apimin (pszczoły)
–Charybdotoxin (skorpiony)
JuŜ w w r.1890 Brytyjczyk C.Sherrington wykazał wzrost przepływu krwi w ciemieniowych okolicach
mózgu w wyniku stymulacji czuciowej i sformułował twierdzenie, Ŝe przepływ krwi w mózgu jest
regulowany zgodnie z potrzebami metabolicznymi oraz , Ŝe rolę w tym grają jony wodorowe. Ale późnej
okazało się, Ŝe lokalne wzrosty przepływu wyprzedzają zmiany

! (zob. slajdy dalej nt. regulacji

przepływu mózgowego)

Regulacja krąŜenia mózgowego

Prawidłowe krąŜenie jest krytyczne dla funkcjonowania i przeŜycia mózgu!
Znaczenie stałego monitorowanie przepływu mózgowego u chorych z urazem mózgu•
Ciśnienie wewnątrzczaszkowe, intracranial pressure- ICP
Cisnienie perfuzji mózgowej - Cerebral perfusion pressure, CPPPrawidłowe ICP : 0-10mmHg
(Interwencja gdy jest powyŜej 20mmHg?)
średnie ciśnienie tętnicze – mean arteriar pressure - MAP
CPP jest równe róŜnicy ciśnienia tętniczego i wewnątrzczaszkowego:
CPP = MAP – ICP
IPP powinno byc utrzymywane w granicach: 70-80 mmHg

Specyfika krąŜenia mózgowego

1)„Sprzęgnięcie” miedzy przepływem krwi i metabolizmem
2)Utrzymywanie stałego przepływu pomimo zmiennego ciśnienia
3)Wpływ gazów (O2, CO2) na przepływ
4)Czynniki neurowaskularne (unerwienie naczyń)
JuŜ w w r.1890 Brytyjczyk C.Sherrington wykazał wzrost przepływu krwi w ciemieniowych okolicach
mózgu w wyniku stymulacji czuciowej i sformułował twierdzenie, Ŝe przepływ krwi w mózgu jest
regulowany zgodnie z potrzebami metabolicznymi oraz , Ŝe rolę w tym grają jony wodorowe. Ale okazało
się, Ŝe lokalne wzrosty przepływu wyprzedzają zmiany

Regulacja krąŜenia mózgowego – czynniki metaboliczne

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

111/113

Wiadomo,

e lokalny przepływ krwi w mózgu jest regulowany potrzebami metabolicznymi

(zwi

zanymi z aktywno

danej okolicy) ale jednoznaczne okre

lenie, które czynniki s

mediatorami tego zwi

zku (aktywno

ść

– przepływ) nie jest łatwe.

RozwaŜano wpływ

K+

: (im większa intensywność synaptyczna, tym więcej potasu jest w przestrzeni

pozakomórkowej !) Ale astrocytarnego buforowania jonów potasu przez Ba2+ nie hamuje reaktywności
naczyń a ponadto sam K+ nie działa wystarczająco szybko w poszerzaniu naczyń
Oraz

adenozyny

(silny wazodilator, jej wzrost następuje w efekcie spadku ATP, ale jej stęŜenie musiałoby wzrastać

co najmniej 10x a potem nagle spadać, czego nie stwierdzono)
a takŜe

mleczanu

Regulacja przepływu mózgowego krwi

RozwaŜane są dwa ogólne mechanizmy:
1)Sygnalizacja poprzez molekuły będące („ubocznym”?) rezultatem aktywności neuronalnej (czynniki
„metaboliczne”)

-wzrost K+ ?, wzrost adenozyny ?, mleczanu?, spadek pH?
-Generalnie zmiany tych metabolitów pojawiają się z opóźnieniem rzędu sekund (nieco za długo w
stosunku do reakcji przepływu)
2)Mechanizmy neurogenne wiąŜące się z uwalnianiem specyficznych neurotransmiterów które mogą
nawet działać „z wyprzedzeniem” (lub „równolegle” do pojawienia się aktywności w danym obszarze
mózgu)
MoŜliwe m.in. dlatego, Ŝe naczynia mózgowe są bogato unerwione

Specyfika krąŜenia mózgowego c.d.

Wiadomo,

e lokalny przepływ krwi w mózgu jest regulowany potrzebami metabolicznymi

(zwi

zanymi z aktywno

danej okolicy) ale jednoznaczne okre

lenie, które czynniki s

mediatorami tego zwi

zku (aktywno

ść

– przepływ) nie jest łatwe.

Wielkie nadzieje wi

zano z

NO to najbardziej „pasuj

cy” kandydat na „neurowazomediatora” – zwłaszcza,

e GLU

poprzez mechanizm receptorowy (NMDA) stymuluje jego syntez

. Bardzo cenn

cech

NO jest

jego krótkotrwało

ść

Jednak NO nie jest jedynym takim mediatorem poniewa

w niektórych eksperymentach,

w których hamowano aktywno

ść

NOS dalej obserwowano efekty sprz

ęŜ

enia aktywno

ci i

przepływu !

Wiele danych przemawia za rolą gazów (tlenu i dwutlenku węgla) w regulacji przepływu.

Hyperkapnia

(wzrost CO2)

jest silnym wazolilatatorem. Prawdopodobnie efekty hyperkapni zaleŜą od NO (np.

zaobserwowano redukcje przekrwienia wywołanego hyperkapnią po zahamowaniu NOS i było to
niezaleŜne od od zmian metabolicznych) Ale dla skrajnej hyperkapni efekt wzmoŜenia przepływu jest
niezaleŜny od NO.

NOS-knock-outowe myszy mają normalne reakcje na hyperkapnię! Summa summarum ... Nie wiadomo
jak to jest ...!
Wiadomo, Ŝe

hypoksja

jest czynnikiem poszerzającym naczynia ale i tu mechanizm jest nieznany!

Auto-regulacja krąŜenia mózgowego

Naczynia mózgowe wykazuj

autoregulacj

(szeroko

ci w stosunku do ci

nienia perfuzji) w

której uczestnicz

korowe naczynia oporowe). Jest to prawdopodobnie wewn

trzny

mechanizm myogenny chocia

ęś

ciowo mo

e by

zale

ny od czynnika(ów) uwalnianych

przez endotelia. Nie znamy dokładnego mechanizmu autoregulacji „pary” przepływ-ci

nienie.

Ustalono jednak,

e stymulacja układu sympatycznego powoduje „przesuni

cie” wzrostu

przepływu w kierunku wy

szych ci

nie

(koniecznie jeszcze wy

sze ci

nienie aby spowodowa

wzrost przepływu – jest to mechanizm ochronny dla mózgu)

Czynniki neurogenne

Naczynia mózgu są bogato unerwione zarówno przez „zewnętrzne” nerwy (autonomicznego układu) jak
teŜ przez wypustki neuronów mózgu, np. pnia
Wykryto receptory dla licznych neurotransmiterów (NA, 5-HT, ACh, VIP, NPY, substancja P,
calcitonine-gene related peptide) w ścianie naczyń krwionośnych. (m.in. gęste unerwienie naczyń splotu

Adamek.D. Neurobiologia - konspekty wykładów

Neurobiologia

113/113

DODATEK NR 6.

Obrazowanie funkcjonalne

METODY WIZUALIZACJI I PRZYśYCIOWEJ ILOŚCIOWEJ OCENY
LOKALNEGO PRZEPŁYWU KRWI W MÓZGU ORAZ LOKALNEGO POZIOMU
METABOLIZMU

1.MRJ: techniki „diffusion weighted imaging” i pochodne (mapy dyfuzji etc)
2.MRJ: „perfusion weighted imaging”
3.fMRJ TECHNIKA „BOLD” (blood oxygenation level dependent)
4.Zlokalizowana spektroskopia MRJ
5.SPECT (Single photon emission computed tomography)
6.PET (positron emission tomography)

fMRJ TECHNIKA „BOLD” (blood oxygenation level dependent)

OksyHb jest diamagnetykiem, deoksyHb jest paramagnetykiem. W 1982 r Thulborn wykazał szybszy zanik
sygnału FID (free induction decay) w obecno

ci deoksyHb.

Na szybko

ść

rozfazowywania si

spinów wpływa bardzo wiele lokalnych czynników – nazywanych

lokalnymi niehomogenno

ciami pola i Hb jest tylko jednym z nich, krew stanowi ok. 6% obj

ci kory

mózgu dlatego m.in. zmiany magnetycznych jej własno

ci s

bardzo nikłe.

Aktywacja kory powoduje wzrost przepływu, który przewy

sza pocz

tkowo (3-6 sek.) siln

deoksygenacj

hemoglobiny.

Nast

powy wzrost przepływu powoduje,

e krew

ylna jest mniej odtlenowana (czyli bogatsza w

oksyhemoglobin

) i st

d sygnał jest silniejszy!

Na wpływ Hb czuły jest przede wszystkim czas T2 Wykazał

to po raz pierwszy Seiji Ogawa w 1990 i nadał nazw

technice – BOLD.

Zlokalizowana spektroskopia MRJ

Wzorcem dla stopnia przesuni

cia chemicznego jest zwi

zek

((CH

)

Si), w którym „osłonowy” efekt elektronów

na j

dra

H i

C jest silniejszy od jakichkolwiek zwi

zków biologicznych, jego pozycja oznacza 0 na tej

skali
Chemical Shift (

) = shift observed [(

ref

)/ (

ref

)] x 10

(Dlatego wyra

one w ppm)

Innym j

drem wykorzystywanym w spektroskopii NMR jest

Teoretycznie mo

na wykorzysta

tak

SPECT (Single photon emission computed tomography).

ywany jest m.in. radioizotop technetu Tc-99m który emituje pojedynczy foton pr. gamma o

energii 140KeV i ma half-life ok. 6 godz. Foton rejestrowany jest przez tzw Gamma kamer

kolimatorem ołowiowym, który umo

liwia separacj

promieniowania z ró

nych punktów ciała

(tzw kamera Anger’a) dzi

ki tysi

com w

skich równoległych kanalików w płycie ołowiowej.

Fotony absorbuj

kryształy NaI emituj

c fotony

wiatła.

PET (positron emission tomography):

podawane s

ró

ne zwi

zki z „podstawionym” krótkotrwałym izotopem z rozpadem

, przy

którym nast

puje emisja pozytonu. Pozyton ulega anihilacji napotykaj

c elektron a wyzwolone

fotony energii rozchodz

w przeciwnych kierunkach pod k

tem 180

. Gammadetektory

lokalizuj

miejsce anihilacji z dokładno

do kilku milimetrów. Typowo u

ywanymi izotopami

F. Przykładowo:

Przepływ oceniany jest za pomoc

wody znakowanej

O (H

Utylizacja glukozy

przy pomocy

F-2-deoksyglukozy (

F-labeled 2-DG)

ycie tlenu przez podawanie do oddychania

PET pozwala

przyŜyciowo

na wyznaczenie tzw.

local cerebral metabolic rates

glukozy (LCMRglu) poprzez

uŜycie (18F-labeled 2-DG) u ludzi i zwierząt.

•Je

li zbadamy t

sam

aktywacj

poprzez podanie H215O i okre

lenie przepływu mózgowego oka

wzmo

enie przepływu pokryje si

z akumulacj

18F-2-D

LCMRglu wyznaczony przy pomocy PET u ludzi daje rezultaty ok. o ½ niŜsze niŜ u gryzoni.
PET pozwala na obserwację „w czasie rzeczywistym” zuŜycia glukozy w określonych lokalizacjach w
zaleŜności od rozmaitych bodźców (wzrokowych, czuciowych) i aktywacji róŜnych funkcji mózgu (w tym
uczuciowych i intelektualnych)