«ΝΕΥΡΟΕΠΙΣΤΗΜΕΣ» Λειτουργία Νευρικού Συστήματος

Transcript

1 ΠΑΝ/ΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ «ΝΕΥΡΟΕΠΙΣΤΗΜΕΣ» Λειτουργία Νευρικού Συστήματος Κώστας Παπαθεοδωρόπουλος Αναπληρωτής Καθηγητής * Εργαστήριο Φυσιολογίας 2013

2 Ομοιόσταση Ορισμός: Το σύνολο των φυσιολογικών μηχανισμών (διεργασιών) που τείνουν να διατηρήσουν το εσωτερικό περιβάλλον ενός οργανισμού εντός ενός εύρους τιμών φυσικοχημικών παραμέτρων, αντισταθμίζοντας τις προκαλούμενες μεταβολές του.

3 Σε ποιούς οργανισμούς είναι απαραίτητη η συνεχής αντιμετώπιση των συνεχώς μεταβαλλόμενων συνθηκών του περιβάλλοντος? Στους κινούμενους?? Ποιοί οργανισμοί έχουν Νευρικό Σύστημα? Οι κινούμενοι??

4 Έχει μεγάλη επιβιωτική αξία οι κινούμενοι οργανισμοί να δημιουργούν ένα πρότυπο του εξωτερικού κόσμου, το οποίο να προσαρμόζουν στις κάθε στιγμή ανάγκες τους και στις κάθε στιγμή μεταβολές του. Το Νευρικό Σύστημα οργανώνει την συμπεριφορά δημιουργώντας αναπαραστάσεις του εξωτερικού (και εσωτερικού) περιβάλλοντος (ή μάλλον κόσμου)....όχι μόνον κάθε στιγμή, αλλά και..πριν έρθει η στιγμή.. πρόβλεψη!

5 Ομοιόσταση Βιολογικός ρόλος / Αναγκαιότητα: 1. Οι οργανισμοί είναι ανοικτά συστήματα με συνεχείς αλλαγές ύλης και ενέργειας με το περιβάλλον. [Συνεχής αλληλεπίδραση με περιβάλλον] 2. Οι (πολύπλοκες) φυσικο-χημικές διεργασίες που συμβαίνουν στο εσωτερικό των ζώντων οργανισμών πραγματοποιούνται αποδοτικά (βέλτιστα) εντός καθορισμένου εύρους φυσικών μεταβλητών (π.χ. Θερμοκρασία, ph). Κατ επέκταση, οι οργανισμοί μπορούν να επιβιώσουν εντός συγκεκριμένου εύρους περιβαλλοντικών συνθηκών. 3. Τόσο το εξωτερικό όσο και το εσωτερικό περιβάλλον των οργανισμών υπόκειται σε συνεχείς, (βραχύχρονες) διακυμάνσεις που τείνουν να μεταβάλλουν την εσωτερική κατάσταση του οργανισμού. 4. Οι προκαλούμενες μεταβολές της εσωτερικής κατάστασης είναι αναγκαίο να αναστραφούν. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μέσω λειτουργικών αντιρροπιστικών μηχανισμών του οργανισμού, που αντισταθμίζουν τέτοιες μεταβολές, ανάγοντας συνεχώς το εσωτερικό περιβάλλον σε μιά βέλτιστη κατάσταση ισορροπίας. Τέτοιοι μηχανισμοί αυτορύθμισης συνήθως συνιστούν μηχανισμούς αρνητικής ανάδρασης.

6 Χαρακτηριστικά Συστημάτων ελέγχου Ειδικότητα: μεγαλύτερη στο νευρικό από ότι στο ενδοκρινικό. Φύση του μηνύματος: ηλεκτρικό ή χημικό στο νευρικό, χημικό στο ενδοκρινικό. Ταχύτητα: Ταχύτατα τα νευρικά αντανακλαστικά (μέχρι 120 m/s). Αργά του ενδοκρινικού (min έως hr). Διάρκεια δράσης: Συντομότερη στο νευρικό, όπου οι νευροδιαβιβαστές απενεργοποιούνται ταχύτατα ώστε τα σήματα επαναλαμβάνονται πολλαπλώς. Κωδικοποίηση της έντασης του ερεθίσματος: συχνότητα του σήματος στο νευρικό, επίπεδα ορμονών στο ενδοκρινικό.

7 Κεντρικό Νευρικό Σύστημα: Το πιό πολύπλοκο γνωστό Σύστημα! [Ο ανθρώπινος εγκεφαλικός φλοιός έχει 10 Χ 10 9 νευρώνες και 60 Χ συνδέσεις] Το Ν.Σ. βρίσκεται στην κορυφή της ιεραρχίας των Συστημάτων του οργανισμού. Ρόλος του Ν.Σ.: >Έλεγχος & Ρύθμιση του Εσωτερικού Περιβάλλοντος >Έλεγχος & Ρύθμιση των Σχέσεων του οργανισμού με το Εξωτερικό Περιβάλλον {Ομοιόσταση} > Πρόσληψη & Διαχείρηση Πληροφορίας Προγραμματισμός & Συντονισμός Συμπεριφοράς

8 Βασικές Αρχές Οργάνωσης Το Ν.Σ. έχει Ιεραρχική Πολυεπίπεδη Οργάνωση Μερικά από τα κύρια Επίπεδα Οργάνωσης: Συστήματα Συμπεριφοράς Δίκτυα μεταξύ Περιοχών Τοπικά Δίκτυα Νευρώνες Δενδριτικοί Κλάδοι Μικροκυκλώματα Συνάψεις Μόρια & ιόντα

9 Συμπεριφορά Εγκεφαλικές περιοχές Οργάνωση Νευρικού Συστήματος: Ιεραρχία Αλληλεπιδρώντων Επιπέδων Εκτεταμένα νευρωνικά δίκτυα Τοπικά νευρωνικά δίκτυα Κύτταρα Μικρο-δίκτυα Συνάψεις Μόρια

10 10. Γιατί θέλουμε να κατανοήσουμε την συμπεριφορά μας.. Γιατί είναι σημαντική η μελέτη της φυσιολογίας του Νευρικού Συστήματος? 1. Συντονίζει και ρυθμίζει τις λειτουργίες του οργανισμού. 2. Αποτελεί βασικό παράδειγμα λειτουργίας βιολογικού συστήματος. 3. Αποτελεί βασικό παράδειγμα λειτουργίας συστήματος ομοιόστασης. 4. Οργανώνει και καθορίζει την ατομική & κοινωνική συμπεριφορά. 5. Διαταραχή της λειτουργίας του μπορεί να έχει μεγάλη επίδραση στην λειτουργία του ατόμου και τις σχέσεις του με τα άλλα άτομα. 6. Πολλές ασθένειές του έχουν μεγάλη κοινωνική και οικονομική επίπτωση. 7. Μεγάλος αριθμός φαρμάκων δρούν και μεταβάλλουν την λειτουργία του. 8. Η λειτουργία του Ν.Σ. είναι εξαιρετικά πολύπλοκη. 9. Φαίνεται ότι αγνοούμε τα περισσότερα στοιχεία της λειτουργίας του.

11 Γιατί..Νευροεπιστήμη? Για την αντιμετώπιση πολλών καταστρεπτικών ασθενειών: Βλάβες νωτιαίου μυελού (π.χ. ατυχήματα) Αναπτυξιακές διαταραχές (π.χ. Αυτισμός, ΣΥΔΠ). Νευρολογικές Νόσοι (400!, π.χ. Άνοιες, Επιληψία) Άγχος! Ψυχιατρικές Νόσοι (Κατάθλιψη, Διπολική, Σχιζοφρένεια) Εθισμός Διαταραχές Ύπνου Εκφυλιστικές Νόσοι

12 Γιατί..Νευροεπιστήμη? Για την αντιμετώπιση πολλών καταστρεπτικών ασθενειών: Ασθένειες εγκεφάλου Ν.Σ.: > 1.000! Το κόστος των εγκεφαλικών νόσων στην Ευρώπη είναι μεγαλύτερο από το κόστος που προκαλούν μαζί: Καρδιακές παθήσεις + Καρκίνος + Διαβήτης!

13 Γιατί..Νευροεπιστήμη? 2010 Ευρωπαϊκό Συμβούλιο για τον Εγκέφαλο: Κόστος νευρολογικών ασθενειών: ~800 δισ WHO: ~1 δισεκ. άνθρωποι νευρολογικές παθ. Μόνον οι νευρολογικές διαταραχές:11% ασθεν. παγκοσμίως. Καθυστέρηση έναρξης Alzheimer κατά 5 χρόνια: 50 δισ. $

14 Ρυθμός Επιστημονικών Δημοσιεύσεων nervous system OR brain OR neur* : ~ No Publications in PubMed

15 Ρυθμός Επιστημονικών Δημοσιεύσεων No Publications in PubMed nervous system OR brain OR neur* : ~ heart OR cardi* : ~

16 Ρυθμός Επιστημονικών Δημοσιεύσεων Physiol* AND (nervous system OR brain OR neur*) : ~ other : ~ No Publications in PubMed

17 Αρχές Οργάνωσης Νευρικού Συστήματος Η ιεραρχική οργάνωση σε επίπεδα πραγματοποιείται με την ύπαρξη αντίστοιχων Λειτουργικών Μονάδων, που καθορίζονται ως δομικές οντότητες. Το δομικό υπόβαθρο αυτών των λειτουργικών μονάδων συνίσταται σε συγκεκριμένο τύπο Νευρωνικού Κυκλώματος (συστήματος συνδέσεων). Το Ν.Σ. δομείται σε επικαλυπτόμενα σύνολα και ιεραρχίες τέτοιων μονάδων με αυξανόμενο βαθμό έκτασης και πολυπλοκότητας. Η Συμπεριφορά αναδύεται από την συντονισμένη δράση της ιεραρχίας των λειτουργικών μονάδων. Ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα του νευρικού κυκλώματος, αυτό είναι σχεδιασμένο να εκτελεί ειδικές φυσικές συμπεριφορές.

18 Επίπεδα Οργάνωσης & Μεθοδολογικές Προσεγγίσεις

19 Η Ανεξάρτητη Δομική Μονάδα/Οντότητα του Ν.Σ. είναι ο Νευρώνας (το νευρικό κύτταρο)

20 Δομο-Λειτουργική διαφοροποίηση του Νευρώνα Γενικά, ο νευρώνας έχει διάκριτα δομικά χαρακτηριστικά που αντιστοιχούν σε λειτουργικά χαρακτηριστικά εισόδου και εξόδου της πληροφορίας : Δενδρίτες Περιοχή Εισόδου πληροφορίας Σώμα Περιοχή Ολοκλήρωσης Εισόδων & Μετατροπής / Κωδικοποίησης πληροφορίας Άξονας Περιοχή Εξόδου πληροφορίας

21 Δομο-Λειτουργική διαφοροποίηση του Νευρώνα Δενδρίτες Περιοχή Εισόδου πληροφορίας δημιουργία συναπτικών δυναμικών Σώμα Περιοχή Ολοκλήρωσης Εισόδων & Μετατροπής / Κωδικοποίησης της πληροφορίας υπό μορφή δυναμικών ενεργείας Άξονας Περιοχή Εξόδου πληροφορίας Συναπτική Διαβίβαση

22 Συνάψεις

23

24 Συνάψεις Η επικοινωνία μεταξύ των νευρώνων πραγματοποιείται μέσω περιοχών χημικής επικοινωνίας που καλούνται Συνάψεις. Μέσω των συνάψεων ένας νευρώνας δέχεται είσοδο (πληροφορία) από εκατοντάδες ή χιλιάδες άλλους νευρώνες και μέσω άλλων συνάψεων στέλνει έξοδο σε εκατοντάδες άλλους νευρώνες. Ο νευρώνας είναι η ανεξάρτητη δομική μονάδα, αλλά... Επειδή ο νευρώνας είναι πολύ πολύπλοκος και περιέχει πολλές συνάψεις, οι συνάψεις πιθανότατα αποτελούν τις θεμελιώδεις μονάδες λειτουργικής οργάνωσης του Ν.Σ.

25 Είδη Σημάτων Επικοινωνίας Εντός του Ν.Σ. Ηλεκτρικά Χημικά Δυναμικά Ενέργειας Συναπτικά Δυναμικά Μεμβρανικό Δυναμικό Νευροδιαβιβαστές Νευροτροποποιητές

26 Ερώτημα: Ποιά είναι τα κυτταρικά υποστρώματα των νευρωνικών σημάτων Ή αλλιώς: Ποιά είναι τα κυτταρικά στοιχεία και χαρακτηριστικά στα οποία οφείλεται η δημιουργία και η πορεία των σημάτων στο χώρο και χρόνο.

27 Δυναμικό Ισορροπίας Ιόντος Για ένα δεδομένο ιόν, με διαφορετικές συγκεντρώσεις στις δύο πλευρές της μεμβράνης, δηλ. με κλίση συγκέντρωσης, υφίσταται μία θερμοδυναμική δύναμη, η οποία ωθεί το ιόν να κινηθεί προς την περιοχή της μικρότερης συγκέντρωσης (μέσω των αντίστοιχων διαύλων). Από την κίνηση αυτή θα προκύψει όμως και μιά ανακατανομή των φορτίων εκατέρωθεν της μεμβράνης και συνεπώς θα αναπτυχθεί μία ηλεκτρική δύναμη η οποία έλκει το ιόν προς την προτέρα κατάσταση. Υπάρχει ένα Ηλεκτρικό (μεμβρανικό) Δυναμικό στο οποίο η θερμοδυναμική ώθηση εξισορροπείται από την ηλεκτρική έλξη με συνέπεια η κίνηση του ιόντος να είναι ίδια και προς τις δύο κατευθύνσεις της μεμβράνης Δυναμικό Ισορροπίας Ιόντος Στο δυναμικό ισορροπίας υφίσταται Ηλεκτροχημική Ισορροπία για το ιόν.

28

29 Παράγοντες Επηρεασμού του Δυναμικού Ισορροπίας Ιόντος 1. Συγκεντρώσεις των Ιόντων 2. Θερμοκρασία 3. Σθένος του Ιόντος 4. Απαιτούμενο Έργο για Διαχωρισμό δεδομένου ποσού Φορτίου Δυναμικό Ισορροπίας: Έργο για αντιστάθμιση θερμοδυναμικών δυνάμεων = Έργο για αντιστάθμιση ηλεκτρικών δυνάμεων Wc = RT ln [ιόν] έξω / [ιόν] μέσα = W E = F E R: σταθερά αερίων, Joules/Kelvin x mole T Kelvin : T celcius F: σταθερά Faraday, Coulombs/mole W E = Wc E ιόντος = RT/zF ln [ιόν] έξω / [ιόν] μέσα (Nernst, 1888) E ιόντος = 2.3 RT/zF log 10 [ιόν] έξω / [ιόν] μέσα

30

31 Δυναμικό Ηρεμίας Σε κατάσταση ηρεμίας (ΜΔΗ), τα Νa + τείνουν να εισέλθουν στο κύτταρο τα Κ + τείνουν να εξέλθουν από το κύτταρο τα Cl - τείνουν να εισέλθουν στο κύτταρο Τα ιόντα τείνουν να κινηθούν πρός το δυναμικό ισορροπίας τους! Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση του δυναμικού ισορροπίας από το ΜΔΗ, τόσο πιό έντονη είναι η (ηλεκτρεγερτική) δύναμη κίνησης. Οι δυνάμεις κίνησης είναι διαφορετικές για κάθε ιόν.

32 Η κίνηση των ιόντων διά μέσου της μεμβράνης προκαλεί εκπόλωση ή υπερπόλωση Εκπόλωση: Μείωση του θετικού φορτίου έξω / Αύξηση του θετικού φορτίου μέσα Είσοδος θετικών φορτίων προκαλεί εκπόλωση Έξοδος θετικών φορτίων ή είσοδος αρνητικών φορτίων προκαλεί υπερπόλωση

33 Η κυτταρική μεμβράνη των νευρώνων έχει Παθητικές & Ενεργητικές Ιδιότητες Παθητικές Ιδιότητες: τα χαρακτηριστικά που δέν αλλάζουν κατά την ροή της πληροφορίας 1. Συνεχώς Ανοικτοί Δίαυλοι (παθητικοί) Αγωγιμότητα (σταθερή) 2. Ηλεκτροχημική κλίση Ηλεκτρεγερτική δύναμη 3. Μεμβρανική Διπλοστιβάδα Χωρητικότητα

34 Στις συνάψεις, χημικές ουσίες που απελευθερώνονται από την προσυναπτική απόληξη δεσμεύονται και ενεργοποιούν υποδοχείς/διαύλους στην μετασυναπτική μεμβράνη με αποτέλεσμα την ροή ιόντων δια μέσου της μεμβράνης, δημιουργώντας Συναπτικά Δυναμικά. Τα Συναπτικά Δυναμικά είναι αποτέλεσμα ιοντικών ρευμάτων μέσω χημειοελεγχόμενων διαύλων.

35 Τα Συναπτικά Δυναμικά: 1. Διαδίδονται κατά μήκος της μεμβράνης Παθητικά Μειώνονται καθώς μεταδίδονται 2. Αλληλεπιδρούν Μεταξύ τους Ολοκληρώνονται

36 Συναπτικά Δυναμικά Δυναμικά Ενέργειας

37 Νευρωνικά Ηλεκτρικά Σήματα Δυναμικά Ενέργειας Συναπτικά Δυναμικά Μεμβρανικό Δυναμικό