ΝΕΥΡΟΕΠΙΣΤΗΜΕΣ. Μηχανισμός Αγωγής του Δυναμικού Ενεργείας. Βασικές Έννοιες στην Μεμβρανική Ηλεκτροφυσιολογία ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ - ΠΑΝ/ΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ - ΠΑΝ/ΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΝΕΥΡΟΕΠΙΣΤΗΜΕΣ Βασικές Έννοιες στην Μεμβρανική Ηλεκτροφυσιολογία Μηχανισμός Αγωγής του Δυναμικού Ενεργείας Κων/νος Παπαθεοδωρόπουλος Αναπληρωτής Καθηγητής * Εργαστήριο Φυσιολογίας 2013

2 Νευροφυσιολογία Πλαίσιο γνώσης Νευροφυσιολογίας Σημαντικότητα παρακολούθησης Μελέτη Συγγράμματα Ο ρόλος του διδάσκοντα Εξετάσεις

3 Βοηθήματα: Ιατρική Φυσιολογία: Borοn & Boulpaep. Τόμος Ι, Κεφ. 6-8, Eκδ. Πασχαλίδης (Εύδοξος ) Neurophysiology: Carpenter & Reddi. Publisher: Hodder Arnold Neuroscience: Purves, Augustine, Fitzpatrick, et al., Publisher: Sinauer Mayo Clinic Medical Neuroscience: Benarroch, Daube, et al., Publ.: Mayo Clinic Scientific Press Αρχές Φυσιολογίας: Berne & Levy. Τόμος Ι, Κεφ, 2 & 3. Νευροεπιστήμη & Συμπεριφορά: Kandel, Schwartz, Jessell. Κεφ Παν. Εκδ. Κρήτης

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

5 Ηλεκτρικό Μεμβρανικό Δυναμικό Η μόνιμη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης καλείται μεμβρανικό δυναμικό ηρεμίας. Οι παροδικές μεταβολές του ηλεκτρικού μεμβρανικού δυναμικού συνιστούν τα ηλεκτρικά σήματα στο νευρικό (και μυϊκό) σύστημα. Στην μεμβράνη των νευρικών κυττάρων δημιουργούνται δύο ειδών ηλεκτρικά σήματα μέσω των οποίων υφίσταται επικοινωνία κατά μήκος του νευρικού κυττάρου. Τα δύο αυτά είδη ηλεκτρικών σημάτων πάνω στην μεμβράνη του νευρικού κυττάρου είναι τα τοπικά δυναμικά και τα δυναμικά ενεργείας.

6 Ανατομο-λειτουργικά χαρακτηριστικά του νευρικού κυττάρου (νευρώνα) Δενδρίτες Τοπικό Δυναμικό Είσοδος πληροφορίας από άλλους νευρώνες Σώμα Συνδιασμός/Ολοκλήρωση πληροφορίας Νευράξονας Δυναμικό Ενεργείας Αποστολή συμπερασματικής πληροφορίας σε απόσταση.. Απολήξεις Χημική Διαβίβαση Τοπικό Δυναμικό στον επόμενο νευρώνα Μεταβίβαση πληροφορίας σε άλλους νευρώνες

7 Συνάψεις

8 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.

9 Διαπερατότητα Ιοντικών Διαύλων Πρωτεϊνικοί Μεμβρανικοί Δίαυλοι Η ροή ιόντων δια μέσου ενός διαύλου εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις του ιόντος εκατέρωθεν της μεμβράνης. Ένας ιοντικός δίαυλος είναι διαπερατός σε ορισμένη κατηγορία ιόντων (κατιόντων-ανιόντων) ή και σε συγκεκριμένο είδος ιόντος (π.χ. Κάλιο, Νάτριο, Χλώριο).

10 Μέτρηση του Μεμβρανικού Δυναμικού Ηρεμίας

11 Η κλίση συγκέντρωσης ως πηγή ανάπτυξης δια-μεμβρανικού ηλεκτρικού δυναμικού Ενδοκυττάρια Εξωκυττάρια Μεμβράνη διαπερατή μόνον για Κ+ Όχι καθαρή ροή Κ + Καθαρή ροή Κ+ από 1 2 Ανάπτυξη διαφοράς ηλ.δυναμικού! Δυναμικό στο οποίο ισορροπείται η κίνηση Κ +...

12 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 Ανάπτυξη διαφοράς δυναμικού. Κ + σε ισορροπία (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.

13 Δυναμικό Ισορροπίας Ιόντος Το δυναμικό ισορροπίας ιόντος νοείται σε συνθήκες σταθερές στον χρόνο Το δυναμικό ισορροπίας είναι μια ποσότητα που εξαρτάται μόνον από την κλίση συγκέντρωσης του ιόντος! Το δυναμικό ισορροπίας είναι ανεξάρτητο από το μεμβρανικό δυναμικό! Το Δυναμικό Ισορροπίας ενός Ιόντος: - Εξαρτάται από την χημική κλίση και το σθένος του ιόντος. - Είναι ανεξάρτητο από τη διαφορά δυναμικού εκατέρωθεν της μεμβράνης. Σημασία του δυναμικού ισορροπίας ιόντος: Για δεδομένη κλίση συγκέντρωσης, η κίνηση ενός ιόντος θα μεταβάλλει το μεμβρανικό δυναμικό τείνοντας προς το δυναμικό ισορροπίας του

14 Εξωκυττάριες & Ενδοκυττάριες συγκεντρώσεις ιόντων Συγκέντρωση (mm) Ιόν Ενδοκυττάρια Εξωκυττάρια Άξονας καλαμαριού Κάλιο (K + ) Νάτριο (Na + ) Χλώριο (Cl - ) Ασβέστιο (Ca 2+ ) Νευρώνας θηλαστικού Κάλιο (K + ) Νάτριο (Na + ) Χλώριο (Cl - ) Ασβέστιο (Ca 2+ )

15 Μεμβρανικό Δυναμικό Το Μεμβρανικό Δυναμικό Ηρεμίας θα πρέπει να επηρεάζεται από τα δυναμικά ισορροπίας των ιόντων σε συνδυασμό με τη σχετική διαπερατότητα / αγωγιμότητα της μεμβράνης για κάθε ιόν. Εάν στην κατάσταση ηρεμίας η μεμβρανική διαπερατότητα είναι πολύ μεγαλύτερη για το Κ+, το δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης θα επηρεάζεται κυρίως από το δυναμικό ισορροπίας του Κ +. Σε κατάσταση ηρεμίας, η κυτταρική μεμβράνη έχει πολύ μεγαλύτερη διαπερατότητα για τα ιόντα Κ + από ότι για τα άλλα πιό πολυπληθή ιόντα (Na +, Cl -, Ca 2+ ). Αυτό οφείλεται στην ύπαρξη συνεχώς ανοικτών διαύλων (πόρων) Κ +. Αφού [Κ + ]μέσα >> [Κ + ]έξω το Κ + θα κινηθεί από μέσα προς τα έξω προκειμένου να φθάσει στο δυναμικό ισορροπίας του.

16 Δυναμικά Ισορροπίας Ιόντων E Na = 2.3 RT/zF log10 [Νa + ]έξω / [Νa + ]μέσα = 56 mv E K = 2.3 RT/zF log10 [K + ]έξω / [K + ]μέσα = -102 mv Ενδοκυττάρια E Cl = 2.3 RT/zF log10 [Cl - ]έξω / [Cl - ]μέσα = -76 mv Εξωκυττάρια

17 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 Ενδοκυττάρια Εξωκυττάρια 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.

18 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 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. Ενδοκυττάρια Εξωκυττάρια Οι δυνάμεις κίνησης είναι διαφορετικές για κάθε ιόν.

19 Ηλεκτρεγερτική Δύναμη Ιόντος Οι κλίσεις συγκέντρωσης των ιόντων σε συνδιασμό με τα δυναμικό ισορροπίας αποτελούν ένα είδος μπαταρίας, ή συσσωρευτή του οποίου το δυναμικό προκαλεί ιοντικό ρεύμα κάθε φορά που υφίσταται αγωγιμότητα, δηλ. διαπερατότητα. Η δύναμη που επενεργεί στο ιόν και το κινεί: ηλεκτρεγερτική δύναμη, η οποία είναι ανάλογη της διαφοράς μεταξύ του δυναμικού ισορροπίας του ιόντος και του μεμβρανικού δυναμικού

20 Ιδιότητες: 1. Διαπερατότητα Ιοντικοί Δίαυλοι 2. Επιλεκτικότητα 3. Έλεγχος Κατηγορίες Διαύλων: Α. Συνεχώς Ανοικτοί Β. Ελεγχόμενοι 1. Δυναμικό της Μεμβράνης Τασεοελεγχόμενοι 2. Νευροδιαβιβαστές, Νευροτροποποιητές Χημειοελεγχόμενοι 3. Μηχανικό Ερέθισμα (Πίεση Διάταση, σε αισθητικούς υποδοχείς)

21 Η διαχείριση της πληροφορίας από έναν νευρώνα και η επικοινωνία της πληροφορίας μεταξύ νευρώνων πραγματοποιείται με ηλεκτρική και χημική συμπεριφορά αντίστοιχα. Ηλεκτρική δραστηριότητα Χημική επικοινωνία

22 Ενεργοποίηση Χημειο-ελεγχόμενων & Τασεο-ελεγχόμενων Ιοντικών Διαύλων Χημειο-ελεγχόμενοι δίαυλοι συνιστούν ιονοφόρους υποδοχέων νευροδιαβιβαστών, και ενεργοποιούνται με την δέσμευση του νευροδιαβιβαστή. Οι Τασεο-ελεγχόμενοι δίαυλοι ενεργοποιούνται με την αλλαγή του μεμβρανικού δυναμικού

23 Μεταβολές του μεμβρανικού δυναμικού: Τοπικά Δυναμικά & Δυναμικά Ενεργείας Το δυναμικό της μεμβράνης μεταβάλλεται όποτε υφίσταται ιοντικό ρεύμα δια μέσου της μεμβράνης, δηλ. όποτε ανοίξουν (ή κλείσουν) ιοντικοί δίαυλοι. Ενεργοποίηση χημειο- ή μηχανο-ελεγχόμενων διαύλων δημιουργεί τοπικά δυναμικά στις συνάψεις και δυναμικά υποδοχέα στα υποδεκτικά αισθητικά κύτταρα. Ενεργοποίηση τασεο-ελεγχόμενων διαύλων μεταβάλλει το μεμβρανικό δυναμικό σε άλλα σημεία του κυττάρου, και ευθύνεται για τη δημιουργία του Δυναμικού Ενεργείας.

24 Τοπικά συναπτικά δυναμικά Χημειοελεγχόμενοι δίαυλοι Ανάλογα με το είδος ιοντικού ρεύματος δια μέσου των χημειοελεγχόμενων διαύλων, τα τοπικά δυναμικά είναι: Εκπολωτικό Μετασυναπτικό Δυναμικό Υπερπολωτικό Μετασυναπτικό Δυναμικό Διεγερτικά & Ανασταλτικά.

25 Δυναμικό Ενέργειας mv Το Δυναμικό Ενεργείας δημιουργείται στον νευράξονα του νευρικού κυττάρου 2 ms Στο νευρικό κύτταρο τα ΔΕ δημιουργούνται στην περιοχή του εκφυτικού κώνου από την δράση μιάς εκπόλωσης (τοπικό δυναμικό) στην συναπτική περιοχή Διεγερτικές (εκπολωτικές) συνάψεις 2 μm Εκφυτικός κώνος

26 Η δημιουργία του ΔΕ βασίζεται στις ιδιότητες των τασεοελεγχόμενων διαύλων Na + και Κ + Παλμός εκπολωτικού ρεύματος Ενεργητικές Ιδιότητες του τασεοελεγχόμενου διαύλου Νa + Τασεοελεγχόμενος δίαυλος Κ +

27 Δυναμικό Ενέργειας Το ΔΕ δημιουργείται από την αλληλεπίδραση μεταξύ ιοντικών ρευμάτων Νατρίου & Καλίου και του μεμβρανικού δυναμικού Χρονο- & Τασεο- εξάρτηση των Αγωγιμοτήτων Ρευμάτων Na+ & K+

28 Εκπολωτικό Μετασυναπτικό Δυναμικό

29 Ρόλος του Δυναμικού Ενεργείας Μετάδοση του ΔΕ κατά μήκος του νευράξονα και πρόκληση απελευθέρωσης νευροδιαβιβαστή Στους νευρώνες τα ΔΕ δημιουργούνται την αρχή του νευράξονα, τον εκφυτικό κώνο, Το ΔΕ δημιουργείται στον εκφυτικό κώνο...και πρέπει να μεταδοθούν σε απόσταση από το σημείο γένεσης.. Το ΔΕ άγεται κατά μήκος του νευράξονα Στην απόληξη το ΔΕ προκαλεί την απελευθέρωση νευροδιαβιβαστή...και καταλήγει στην αξονική απόληξη όπου προκαλεί την απελευθέρωση του νευροδιαβιβαστή.

30 Μηχανισμός Αγωγής ΔΕ Το ΔΕ δημιουργείται στον εκφυτικό κώνο mv Το ΔΕ άγεται κατά μήκος του νευράξονα 2 ms Στην απόληξη το ΔΕ προκαλεί την απελευθέρωση νευροδιαβιβαστή

31 Τοπικά δυναμικά και δυναμικά ενεργείας Εφαρμογή παλμών υπερπολωτικού ή εκπολωτικού ρεύματος

32 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

33 Μηχανισμός Αγωγής του Δυναμικού Ενεργείας κατά μήκος του Νευράξονα

34 Μεταβολή του μεμβρανικού δυναμικού μέσω ιοντικού ρεύματος Τα ιοντικά φορτία εναποτίθενται στις δύο πλευρές της μεμβράνης: μη αγώγιμη λιπιδική διπλοστιβάδα Εναπόθεση/διαχωρισμός ηλεκτρικού φορτίου σε μη αγώγιμες επιφάνειες: συσσωρευτές Χωρητικότητα! Η κυττ. μεμβράνη συμπεριφέρεται σαν συσσωρευτής αφού έχει χωρητικότητα: C= Q / V m & C d Α ε εο Α: επιφάνεια d: απόσταση ε: διηλεκτρική στ. ε: στ. αγωγιμοτ...και η ελκτική ηλεκτροστατική δύναμη είναι μεγάλη γιατί η απόσταση μεταξύ των φορτίων είναι μικρή: F= z1 z2 / ε r 2

35 Μείωση του Τοπικού Δυναμικού Διαμεμβρανικό ρεύμα (είτε μέσω διάνοιξη διαύλων είτε μέσω πειραματικής έκχυσης) θα προκαλέσει συσσώρευση φορτίων και ανάπτυξη δυναμικού μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης-πυκνωτή (Δημιουργία τοπικού δυναμικού). Το αναπτυχθέν δυναμικό πυκνωτή θα μειωθεί σταδιακά (χρονικά, και χωρικά κατά μήκος της μεμβράνης) λόγω: α) της (μικρής μεν αλλά υπαρκτής) δια-μεμβρανικής αγωγιμότητας (δίαυλοι διαφυγής) και β) της κίνησης του ρεύματος κατά μήκος της εσωτερικής αντίστασης του κυτταροπλάσματος.

36 Μείωση του Τοπικού Δυναμικού στον Χώρο Το αναπτυχθέν δυναμικό πυκνωτή από την συσσώρευση φορτίου θα μειωθεί σταδιακά λόγω της (μικρής) διαμεμβρανικής αγωγιμότητας (δίαυλοι διαφυγής) και επίσης της κίνησης του ρεύματος κατά μήκος της εσωτερικής αντίστασης του κυτταροπλάσματος που θα μεταβάλλει το V σε διπλανά μεμβρ. τμήματα. Χωρική σταθερά (λ): Η απόσταση στην οποία υφίσταται μείωση του ΔV στο 37% του αρχικού. λ: Χωρική σταθερά

37 Μείωση του Τοπικού Δυναμικού με τον Χρόνο Ενώ σε ένα ωμικό στοιχείο το ρεύμα και η ΔV αναπτύσσεται και μειώνεται ακαριαία, σ ένα στοιχείο με χωρητικότητα η ΔV εξαρτάται από τον χρόνο, αφού περιλαμβάνει συσσώρευση φορτίων στην μονάδα του χρόνου: I c = ΔQ / Δt Χρονική σταθερά (τ): Ο χρόνος που απαιτείται για ανάπτυξη του ΔV κατά 63% ή μείωση στο 37% του μέγιστου. 1-(1/e) 1/e τ : χρονική σταθερά τ : χρονική σταθερά

38 Ρόλος των παθητικών ιδιοτήτων της μεμβράνης στην διαμόρφωση των τοπικών δυναμικών τ : χρονική σταθερά μέτρο του ρυθμού ανάπτυξης ή εξασθένισης της ΔV σ ένα σημείο λ: Χωρική σταθερά μέτρο της μεμβρανικής απόστασης που θα εξαπλωθεί μία δεδομένη ΔV Η κυτταρικές αντιστάσεις επηρεάζουν το μέγεθος (πλάτος) των δυναμικών Η μεμβρανική χωρητικότητα καθυστερεί την μεταβολή του δυναμικού

39 Τα τοπικά δυναμικά εξαπλώνονται κατά μήκος της νευρωνικής μεμβράνης ηλεκτροτονικά, μειούμενα με την απόσταση. Το πλάτος του τοπικού δυναμικού μειώνεται με την απόσταση

40 Αγωγή του Δυναμικού Ενεργείας κατά μήκος του Νευράξονα (διάδοση, μετάδοση) Η αγωγή του ΔΕ απαιτεί κλείσιμο του ηλεκτρικού κυκλώματος δια μέσου της μεμβράνης Η αγωγή (διάδοση) του ΔΕ περιλαμβάνει εκπόλωση κάθε τμήματος του άξονα

41 Η χωρητικότητα της μεμβράνης εμπλέκεται και ελέγχει την παθητική (ηλεκτροτονική) εξάπλωση των τοπικών παροδικών δυναμικών.

42 Μηχανισμός Ενεργητικής Αγωγής του ΔΕ κατά μήκος του άξονα

43

44 Μετάδοση του Δυναμικού Ενεργείας κατά μήκος του Νευράξονα Για σχετικά μεγάλες αποστάσεις η ταχύτητα διάδοσης (αγωγής) του ΔΕ πρέπει να είναι σχετικά μεγάλη!

45 Μετάδοση του Δυναμικού Ενεργείας κατά μήκος του Νευράξονα Για σχετικά μεγάλες αποστάσεις η ταχύτητα μετάδοσης (αγωγής) του ΔΕ πρέπει να είναι μεγάλη! λ = r r m i Χωρική σταθερά r i = ρ / π α 2 r m = R m / 2π α λ << λ Με αύξηση της διαμέτρου η r i μειώνεται πιό πολύ απ ότι η r m, και συνεπώς μεγαλώνει η χωρική σταθερά λ, που σημαίνει οτι μία εκπόλωση εξαπλώνεται πιό μακριά και μία συγκεκριμένη μείωση του δυναμικού συμβαίνει σε πιό μακρινά σημεία του νευράξονα.

46 Ρόλος της Διαμέτρου στην χωρική σταθερά λ Διπλασιασμός της λ απαιτεί 4πλασιασμό της d... λ = R R m i d 4 2 4

47 Νευροεπιστήμες: Φροντιστηριακή Άσκηση 1. Ρόλος της Μυελίνης στην Ταχύτητα Αγωγής του Δυναμικού Ενεργείας

48 Μυελίνη σε νευράξονα

49 Υπενθύμιση: Η αγωγή του ΔΕ κατά μήκος ενός άξονα συμβαίνει με εκπόλωση όλων των σημείων του

50 Πώς η Μυελίνη επιδρά στην ταχύτητα αγωγής?

51 Μετάδοση του Δυναμικού Ενεργείας κατά μήκος του Νευράξονα Αμύελος Οπως στον αμύελο, έτσι και στον εμμύελο άξονα η αγωγή του ΔΕ περιλαμβάνει εκπόλωση κάθε τμήματος του άξονα. Όμως στον εμμύελο άξονα ΔΕ δημιουργούνται σε λιγότερα σημεία απ ότι στον αμύελο. Εμμύελος

52 Ταχύτητα Αγωγής σε Αμύελο & Εμμύελο Άξονα Στον εμμύελο άξονα ΔΕ δημιουργούνται σε λιγότερα σημεία απ ότι στον αμύελο.

53 Το κατώφλιο στους κόμβους Ranvier μειώνεται λόγω αυξημένης πυκνότητας διαύλων Na+

54 Μετάδοση του Δυναμικού Ενεργείας κατά μήκος του Νευράξονα 1. Αύξηση της διαμέτρου μείωση της r i (r i = ρ / π α 2 ) περισσότερο απ ότι μείωση της r m (r m = R m / 2π α) αύξηση της λ μεγαλύτερη απόσταση μετάδοσης λ = r r m i Η αύξηση της διαμέτρου υπόκειται σε περιορισμούς χώρου και αριθμού δυνατών συνδέσεων! 2. Αύξηση της μεμβρανικής αντίστασης (R m ) αύξηση της λ αλλά και της τ (καθυστέρηση..) Ταυτόχρονος συνδιασμός αύξησης της R m με μείωση της C m?? τ = R m Cm Αυτό επιτυγχάνεται με πρόσθεση περισσότερων αντιστάσεων σε σειρά με την R m (R 1 +R 2 + ) και πρόσθεση περισσότερων χωρητικοτήτων σε σειρά με την C m (1/C 1 + 1/C 2 ) Το ΝΣ επιτυγχάνει αυτό είναι μέσω ενός τύπου γλοιακών κυττάρων, των δορυφορικών κυττάρων Schwann τα οποία σχηματίζουν πολλαπλές στιβάδες μεμβράνης (μυελίνης) γύρω από τον άξονα των νευρώνων!

55

56 Ο χρόνος που απαιτείται για την εκπόλωση των (μεγάλων) εμμύελων τμημάτων είναι μικρότερος (1) απ ότι των (μικρών) αμύελων κόμβων του Ranvier (2). 1 Χρόνος 2 Απόσταση

57 Το πλεονέκτημα της Μυελίνης 1. Η αγωγή του ΔΕ (& σε εμμύελο άξονα) προϋποθέτει εκπόλωση όλων των σημείων του 2. Η μυελίνη αυξάνει την μεμβρανική αντίσταση και έτσι μειώνει την απώλεια ρεύματος δια μέσου της μεμβράνης (ρόλος μονωτή...) το ρεύμα μπορεί να εξαπλωθεί μακρύτερα (Δηλ. η μυελίνη μεταθέτει την δημιουργία ΔΕ σε μακρύτερα σημεία του άξονα, μέσω διατήρησης του εκπολωτικού ρεύματος) χρονικό όφελος. 3. Η μυελίνη μειώνει την χωρητικότητα της (συνολικής) νευραξονικής μεμβράνης και έτσι μειώνει τον χρόνο φόρτισης τα εμμύελα τμήματα εκπολώνονται ταχύτερα απ ότι εάν ήταν αμύελος (και μεγάλης διαμέτρου) ο άξονας χρονικό όφελος. 4. Στον εμμύελο άξονα ΔΕ δημιουργούνται μόνον στους κόμβους του Ranvier. (δηλ. για ίδια απόσταση, ΔΕ δημιουργούνται σε λιγότερα σημεία απ ότι σ έναν αμύελο ) 5. Συνολικό αποτέλεσμα μυελίνης: μείωση του χρόνου εκπόλωσης + διέγερσης άξονα Αύξηση ταχύτητας αγωγής!

58 Μυελίνη Αύξηση της R m αύξηση της λ, και μείωση της C μείωση της τ λ = R R m i x d 4 τ = R m Cm Εμπειρικός κανόνας (παράγοντας του Hursh, 1939): Η ταχύτητα αγωγής ενός ΔΕ κατά μήκος ενός εμμύελου άξονα σε m/sec είναι 6 φορές η διάμετρος του άξονα, σε μm. Οι παχύτεροι άξονες στο ΝΣ έχουν διάμετρο ~ 20 μm και η ταχύτητα αγωγής τους είναι ~ 120 m/s.

59 Σχέση Διαμέτρου-Ταχύτητας Αγωγής σε Αμύελο & Εμμύελο Άξονα Η γραμμικότητα υποδηλώνει βελτιστοποίηση Εμμύελοι άξονες Η μυελίνη είναι πιό αποτελεσματική στην αύξηση της ταχύτητας αγωγής απ ότι η αύξηση (μόνον) της διαμέτρου. Αμύελοι άξονες λ = R R m i x d 4 Στης μικρής διαμέτρου άξονες η μυελίνη επιβαρύνει την αξοπλασματική αγωγή. Το πάχος της μυελίνης παρουσιάζει βελτιστοποίηση: ποικίλλει με την διάμετρο. Στο ΚΝΣ η κρίσιμη διάμετρος για εμμύελους άξονες είναι μικρότερη: ~ 0.2 μm.

60 Νεύρο Ίνες διαφορετικής διαμέτρου (φυσικά χαρακτηριστικά) Ίνες αμύελες & εμμύελες (ιστολογικά χαρακτηριστικά) Ίνες αισθητικές & κινητικές (λειτουργικά χαρακτηριστικά) Ίνες διαφορετικής ταχύτητας αγωγής ΔΕ (ηλεκτροφυσιολογικά χαρακτηριστικά)

61

62 Τύποι & Χαρακτηριστικά Νευρικών Ινών

63 Τύποι & Χαρακτηριστικά Ινών σε ένα Μεικτό Νεύρο Αισθητικές ίνες από δέρμα: Αα, Αδ, C. Αισθητικές ίνες από μύες: Ι, ΙΙ, III, IV. Κινητικές ίνες: α, γ, Β, C.

64 Κύριες Παθολογίες Περιφερικού Νεύρου Εκφύλιση νευράξονα Διαταραχές εμμυέλωσης Αποκλεισμός αγωγής

65 Απομυελινωτικές Νόσοι

66 Συμπεριφορά Απομυελωμένων Αξόνων Αναστολή σχετιζόμενη μα τη συχνότητα Εφαπτικές αλληλεπιδράσεις

67 Συμπεριφορά Απομυελωμένων Αξόνων Μειώση ταχύτητας αγωγής του ΔΕ Απώλεια ΔΕ κατά την αγωγή μείωση συχνότητας πυροδότησης Ματαίωση αγωγής Δημιουργία έκτοπων ΔΕ (χωρίς φυσιολογική διέγερση του νεωρώνα) Μηχανική υπερδιεγερσιμότητα.

68 Απομυελινωτικές Νόσοι Κάθε περιφερική νευροπάθεια, κάκωση του νωτιαίου μυελού και πίεση της ρίζας ενός περιφερικού νεύρου μπορεί να προκαλεί μη φυσιολογικές τιμές της Ταχύτητας Αγωγής Νεύρου (ΤΑΝ). Μέτρηση της Ταχύτητας Αγωγής Νεύρου έχει βρεθεί ότι είναι απαραίτητη στις κάτωθι παθολογικές καταστάσεις: α) Το σύνδρομο καρπιαίου σωλήνα, κατά το οποίο το μέσο νεύρο πιέζεται στην περιοχή του καρπού από τους ανεπτυγμένους τένοντες και συνδέσμους, β) Χρόνια φλεγμονώδης πολυνευροπάθεια και νευροπάθεια, που προκύπτουν από διαβήτη και αλκοολισμό (δευτερογενώς), β) Χρόνια φλεγμονώδης απομυελινωτική πολυνευροπάθεια, γ) Το σύνδρομο Guillain-Barré κατά το οποίο υπάρχει προσβολή του περιφερικού νευρικού συστήματος από το ανοσοποιητικό σύστημα και συνακόλουθη απομυελίνωση, δ) Διαταραχή δερματικής αισθητικότητας, ε) Μυοπάθεια ή μυϊκή αδυναμία, στ) Συμπίεση ρίζας νεύρου, ζ) Κάκωση νωτιαίου μυελού, η) Τραυματισμός περιφερικού νεύρου. Απομυελίνωση του νεύρου οδηγεί σε μείωση της ΤΑΝ. Στην απομυελυνωτική πάθηση «σκλήρυνση κατά πλάκας» παρόλο που δεν παρατηρείται γενικά απομυελίνωση περιφερικών νεύρων, ένα μικρό ποσοστό των ασθενών (5%) αναπτύσσουν απομυελωτική νευροπάθεια.

69 Σκλήρυνση Κατά Πλάκας ή Πολλαπλή Σκλήρυνση (Multiple Sclerosis) Απομυελινωτική αυτοάνοσος ασθένεια του ΚΝΣ. Αιτιολογία ασαφής. Παθολογία περίπλοκη. Συμπτωματολογία: από μειωμένη οπτική οξύτητα και διπλωπία, μονοφθάλμια τύφλωση μέχρι ολική παράλυση. Ύφεση ~ Έξαρση λόγω stress (και θερμοκρασιοσχετιζόμενη), ανεξάρτητα από επιδείνωση λόγω φλεγμονής. Αντιμετώπιση: αποκλειστές διαύλων Κ +, ανοσοτροποποιητικά, κορτικοστεροειδή για τις εξάρσεις.

70 Σκλήρυνση Κατά Πλάκας (Multiple Sclerosis) Επίδραση της Θερμοκρασίας στην Ταχύτητα Αγωγής Εμμύελου & Απομυελωμένο Άξονα Θερμοκρασίας Αγωγής Θερμοκρασίας Συμπτώματα

71 Επίδραση της θερμοκρασίας επί των Ρευμάτων Na+, K+

72 Τμηματική Απομυελίνωση Απομυελινωτικές Νόσοι

73 Νευροεπιστήμες: Φροντιστηριακή Άσκηση 2. Σύνθετο Δυναμικό Ενεργείας σε Περιφερικό Νεύρο: Αρχές Κλινική Εφαρμογή Διάγνωση-Εντοπισμός Παθολογίας

74 Κύριες Παθολογίες Περιφερικού Νεύρου Εκφύλιση νευράξονα Διαταραχές εμμυέλωσης Αποκλεισμός αγωγής Η μελέτη της αγωγής του δυναμικού ενεργείας στο νεύρο ως διαφοροδιαγνωστική μέθοδος.

75 Μηχανισμός δημιουργίας ΣΔΕ: Συνθήκες Πρόκλησης & Καταγραφής Χαρακτηριστικά ΣΔΕ Το ΣΔΕ από νεύρο καταγράφεται εξωκυττάρια. Οι μεταβολές του δυναμικού του εξωκυττάριου χώρου έχουν πολύ μικρό πλάτος. Για να καταγραφεί μεταβολή εξωκυττάριου δυναμικού απαιτείται : Σύγχρονη δημιουργία ΔΕ σε πληθυσμό νευρικών ινών: Προκλητό δυναμικό. Σύγχρονη δημιουργία ΔΕ σε πληθυσμό νευρικών ινών επιτυγχάνεται με: Ταυτόχρονο ηλεκτρικό ερεθισμό (δηλ. εκπόλωση) του πληθυσμού των ινών.

76 ΔΙΑΤΑΞΗ ΓΙΑ ΠΡΟΚΛΗΣΗ & ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το ΣΔΕ προκαλείται με ηλεκτρικό ερεθισμό. Το ΣΔΕ αφορά πολλές ίνες. Το ΣΔΕ καταγράφεται εξωκυττάρια. Εκπόλωση και πρόκληση ΔΕ Νεύρο Διπολικός ερεθισμός Γείωση Διπολική καταγραφή (εξωκυττάρια)

77 ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ενδοκυττάρια καταγραφή Μορφολογία ΣΔΕ Διπολική εξωκυττάρια καταγραφή

78 ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Μορφολογία ΣΔΕ

79 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΑΠΛΟ ΔΕ Το ΔΕ από μεμονωμένο νευρώνα έχει δύο φάσεις: Εκπόλωση - Υπερπόλωση Όλες οι φάσεις του ΣΔΕ αντιστοιχούν σε Εκπόλωση! (Απλό) Δυναμικό Ενεργείας σε μεμονωμένο νευρώνα Σύνθετο Δυναμικό Ενεργείας σε νεύρο Εκπόλωση Εκπόλωση Υπερπόλωση

80 ms ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΑΠΛΟ ΔΕ Το πλάτος του ΣΔΕ είναι πολύ μικρότερο από αυτό του απλού ΔΕ (Απλό) Δυναμικό Ενεργείας σε μεμονωμένο νευρώνα Σύνθετο Δυναμικό Ενεργείας σε νεύρο mv

81 Το πλάτος του ΣΔΕ αποτελεί μέτρο του αριθμού των διεγερμένων ινών Το πλάτος του ΣΔΕ ποικίλει ανάλογα με την ένταση ερεθισμού. Όσο μεγαλύτερη ένταση τόσο περισσότερες ίνες, τόσο μεγαλύτερο πλάτος. Ποιά είναι η σειρά διέγερσης των ινών? Ευκολία διέγερσης: Διάμετρος ίνας (ευκολία διείσδυσης ρεύματος ερεθισμού) Όλον ή ουδέν Αισθητικές ίνες μικρής διαμέτρου Κινητικές ίνες μεγάλης διαμέτρου

82 Σχέση μεταξύ Ευερεθιστότηας και Διαμέτρου των ινών Οι μεγάλης διαμέτρου ίνες διεγείρονται ευκολώτερα λόγω μικρότερης μεμβρανικής αντίστασης στο ρεύμα ερεθισμού. r m = R m / 2π α

83 Το ΣΔΕ έχει περισσότερες από μία κορυφές!

84 Προκλητό Σύνθετο Δυναμικό Ενεργείας από διαφορετικές δομικά και λειτουργικά ίνες

85 Η ταχύτητα αγωγής είναι μεγαλύτερη σε άξονες μεγαλύτερης διαμέτρου λ = r r m i Χωρική σταθερά r i = ρ / π α 2 r m = R m / 2π α λ << λ Με αύξηση της διαμέτρου η r i μειώνεται πιό πολύ απ ότι η r m, και συνεπώς μεγαλώνει η χωρική σταθερά λ, που σημαίνει οτι μία εκπόλωση εξαπλώνεται πιό μακριά και μία συγκεκριμένη μείωση του δυναμικού συμβαίνει σε πιό μακρινά σημεία του νευράξονα.

86 Ρόλος της Διαμέτρου στην χωρική σταθερά λ Διπλασιασμός της λ απαιτεί 4πλασιασμό της d... λ = r r m i d 4

87 Σχέση μεταξύ Ταχύτητας Αγωγής ΣΔΕ & Διαμέτρου νευρικής ίνας Η ταχύτητα αγωγής ΔΕ είναι ανάλογη της διαμέτρου της ίνας

88 Το ΣΔΕ έχει περισσότερες από μία κορυφές! Οι κορυφές αντιστοιχούν σε ΣΔΕ από ίνες με διαφορετική ταχύτητα αγωγής....οι οποίες αντιστοιχούν σε κινητικές και αισθητικές ίνες.

89 Σύνθετο Δυναμικό Ενέργειας (ΣΔΕ) Ομοιότητες & Διαφορές μεταξύ ΔΕ από μεμονωμένο νευρώνα & ΣΔΕ από νεύρο Αριθμός κυττάρων Μέθοδος καταγραφής Δυναμικό Ενέργειας από μεμονωμένο νευρώνα Ένας νευρώνας Ενδοκυττάρια Σύνθετο Δυναμικό Ενέργειας από νεύρο Πολλές νευρικές ίνες Εξωκυττάρια Πλάτος ΔΕ Όλον ή ουδέν Βαθμιδωτό πλάτος Μέγεθος πλάτους ΔΕ Μεγάλο (100 mv) Μικρό (0.1 mv) Διάρκεια ΔΕ Συγκεκριμένη Εξαρτώμενη Φάσεις (πολικότητες) Εκπόλωση/ Υπερπόλωση Μία κορυφή Μόνον εκπόλωση! Πολλές κορυφές!

90 Μετρήσεις επί του ΣΔΕ Πλάτος mv Διάρκεια ms Καθυστέρηση: χρόνος από την χρονική στιγμή πρόκλησης του ΣΔΕ μέχρι την χρονική στιγμή καταγραφής στο συγκεκριμένο σημείο του νεύρου.

91 ΠΡΟΚΛΗΣΗ & ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Εκπόλωση και πρόκληση ΔΕ Νεύρο Διπολικός ερεθισμός Γείωση Διπολική καταγραφή (εξωκυττάρια)

92 ΠΡΟΚΛΗΣΗ & ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

93 Υπολογισμός Ταχύτητας Αγωγής ΣΔΕ Καθυστέρηση Απόσταση Απόσταση / Καθυστέρηση = Ταχύτητα

94 Υπολογισμός Ταχύτητας Αγωγής ΣΔΕ Καθυστέρηση Θέση καταγραφής 1 Θέση καταγραφής 2 Απόσταση Απόσταση / Καθυστέρηση = Ταχύτητα

95 Υπολογισμός Ταχύτητας Αγωγής ΣΔΕ καταγράφοντας Μυϊκό Δυναμικό! Καθυστέρηση Θέση 1 Θέση 2 Απόσταση Απόσταση / Καθυστέρηση = Ταχύτητα

96 Υπολογισμός Ταχύτητας Αγωγής ΣΔΕ καταγράφοντας Μυϊκό Δυναμικό! Καθυστέρηση 1 Καθυστέρηση στο νεύρο! Απόσταση Καθυστέρηση 2 Θέση ερεθισμού 1 Θέση ερεθισμού 2 Απόσταση / (Καθυστέρηση 1 - Καθυστέρηση 2) = Ταχύτητα

97 Σκοπός: Διάγνωση & Εντοπισμός Βλάβης Γιατί το περιφερικό νεύρο? Σχετίζεται με μέθοδο. Συχνές βλάβες. Πρακτικά εντελώς εφικτό για φοιτητές. Τι είδους μεθοδολογία χρησιμοποιούμε? Πρόκληση & καταγραφή ηλεκτρικού δυναμικού (ηλεκτροφυσιολογική). Γιατί ηλεκτροφυσιολογική μέθοδο? Εύκολη, γρήγορη, φθινή, ακριβής. Τι είδους βλάβες μπορούμε να διαγνώσουμε? Απώλεια αισθητικών & κινητικών ινών. Απομυέλωση ινών. Σε ποιό φαινόμενο θα πραγματοποιηθούν οι μετρήσεις? Στο Σύνθετο Δυναμικό Ενέργειας.

98 ΠΡΟΚΛΗΣΗ & ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΣΔΕ ΣΕ ΠΕΡΙΦΕΡΙΚΟ ΝΕΥΡΟ Σχηματική Αναπαράσταση Πειραματικής Διάταξης Γεννήτρια παλμών Ερεθιστής Ενισχυτής σήματος Παλμογράφος Ηλεκτρόδια ερεθισμού Ηλεκτρόδια καταγραφής Περιφερικό νεύρο υποκειμένου

99 Ωλένιο Νεύρο Κερκίδα Ωλένη Ωλένιο νεύρο

100 Ρίζες νεύρων Μέσο νεύρο Μυς υποθέναρος Ωλένιο νεύρο Κερκίδα Ωλένη Ωλένιο νεύρο

101 Πειραματική διάταξη για ερεθισμό & καταγραφή ΣΔΕ από το νεύρο

102 Ερεθισμός νεύρου Καταγραφή ΣΔΕ από το νεύρο

103 Ερεθισμός νεύρου Καταγραφή ΣΔΕ από το νεύρο Ερεθισμός νεύρου Καταγραφή ΣΔΕ από το νεύρο

104 Ερεθισμός νεύρου Καταγραφή ΣΔΕ από τον μύ Ερεθισμός νεύρου Καταγραφή ΣΔΕ από τον μύ που νευρώνεται από το νεύρο (μυϊκό ΣΔΕ) Πρόβλημα συναπτικής καθυστέρησης!!

105 Ερεθισμός νεύρου Καταγραφή ΣΔΕ από τον μύ Ερεθισμός νεύρου Θέση 1 Ερεθισμός νεύρου Θέση 2 Καταγραφή ΣΔΕ από τον μύ που νευρώνεται από το νεύρο (μυϊκό ΣΔΕ)

106 Πειραματική διάταξη για ερεθισμό & καταγραφή ΣΔΕ

107 Προγραμματιστής

108 Ερεθιστής Ρύθμιση διάρκειας παλμού Ρύθμιση έντασης παλμού

109 Προενισχυτής-Ενισχυτής-Φίλτρα συχνοτήτων

110 Παλμογράφος Ρύθμιση άξονα Υ Ρύθμιση άξονα Χ

111 Σημεία ερεθισμού & καταγραφής στην μέτρηση της ΤΑΝ του Ωλένιου νεύρου Άνοδος Κάθοδος Ηλεκτρόδια καταγραφής Θέσεις ερεθισμού

112 Διάγνωση & Εντοπισμός Βλάβης Δ Α Β Γ Νευροπάθεια του ωλένιου στον αγκώνα Θέσεις ερεθισμού: Α Β Γ Δ Φυσιολογική απάντηση Απάντηση με βλάβη του ωλένιου στον αγκώνα

113 Κύριες Παθολογίες Περιφερικού Νεύρου Μελέτη της αγωγής του δυναμικού ενεργείας στο νεύρο: διαφοροδιαγνωστική μέθοδος. Εκφύλιση νευράξονα: Μείωση πλάτους του ΣΔΕ (π.χ. σύνδρομο Guillain-Barre) Διαταραχές εμμυέλωσης: Μείωση ταχύτητας αγωγής του ΣΔΕ (π.χ. απομυελωτική Guillain-Barre) Αποκλεισμός αγωγής: Μείωση πλάτους του ΣΔΕ (εστιακή διακοπή σε δέσμη ινών)