Μεθοδολογική προσέγγιση της Βιοηλεκτρικής βάσης του νευρικού ενεργού δυναμικού

Transcript

1 Μεθοδολογική προσέγγιση της Βιοηλεκτρικής βάσης του νευρικού ενεργού δυναμικού ΕΥΣΤΡΑΤΙΟΣ ΚΟΣΜΙΔΗΣ, Ph.D. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

2 Ο εγκέφαλος και οι νευρώνες

3 Προσυναπτικά Μετασυναπτικά Ένας τυπικός νευρώνας Να + Κ + Δενδρίτες Σώμα Άξονας Ροή Πληροφορίας

4 Δυναμικό ηρεμίας Το δυναμικό ηρεμίας καθορίζεται από: Τη διαφορά συγκεντρώσεων των ιόντων Την αγωγιμότητα των καναλιών στη δυναμική ισορροπία Τη συνεισφορά των μη διαπερατών ενδοκυτταρικών ανιόντων μέσω του φαινομένου Gibbs-Donnan Τη συνεισφορά της αντλίας Να + /Κ + r=3/2 Τη θερμοκρασία

5 Ο «ζωικός ηλεκτρισμός» έχει φορέα ιόντα Στις αρχές του 20ου αιώνα ήταν γνωστό ότι 1 οι κυτταρικές μεμβράνες διαχωρίζουν διαλύματα με διαφορετικές ιονικές συγκεντρώσεις 2 [K + ] o << [K + ] i 3 [Na + ] o >> [Na + ] i Julius Bernsein Ο Bernsein προτείνει 1902 ότι το δυναμικό ηρεμίας οφείλεται στο γεγονός ότι η μεμβράνη είναι διαπερατή στο Κ + Στηρίζεται στη δουλειά του Nerns

6 Δυναμικό Nerns Άλας Κ a Α k διαλύεται σε δοχείο που διαχωρίζεται από μη διαπερατή μεμβράνη = 0 m C 1 = C 2 1 2

7 Δυναμικό Nerns Άλας Κ a Α k διαλύεται σε δοχείο που διαχωρίζεται από μη διαπερατή μεμβράνη = 0 m C 1 > C 2 1 2

8 Δυναμικό Nerns Η μεμβράνη είναι διαπερατή μόνο στο Κ k+ = 0 = 0 m C 1 > C 2 1 2

9 Δυναμικό Nerns Η μεμβράνη είναι διαπερατή μόνο στο Κ k+ = RT zf 2 CK ln[ 1 C Δυναμικό Nerns K R σταθερά των αερίων J / K mol T απόλυτη θερμοκρασία z σθένος του ιόντος F σταθερά Faraday C/mol ] 1 2

10 Ισχύει το δυναμικό Nerns στους νευρώνες; Από τους Hodgkin & Keynes, 1955 Ευγενική παραχώρηση από τον J.G. Nicholls

11 Η ισορροπία Gibbs-Donnan Ξεκινάμε με ίσες συγκεντρώσεις άλατος π.χ KCl και προσθέτουμε στη μία πλευρά άλας ΚΑ. Η μεμβράνη είναι διαπερατή στα Κ +, Cl - αλλά όχι στα A -.

12 Και τέλος... η αντλία Να + /Κ + 3Να + /2Κ + m RT F log rp rp K K [ K] [ K] o i p p Na Na [ Na] [ Na] o i όπου r η τιμή της αναλογίας μεταφοράς 3/2

13 Δυναμικό ηρεμίας Το δυναμικό ηρεμίας καθορίζεται από: Τη διαφορά συγκεντρώσεων των ιόντων Την αγωγιμότητα των καναλιών στη δυναμική ισορροπία Τη συνεισφορά των μη διαπερατών ενδοκυτταρικών ανιόντων μέσω του φαινομένου Gibbs-Donnan Τη συνεισφορά της αντλίας Να + /Κ + r=3/2 Τη θερμοκρασία

14 Διέγερση: Υπο-ουδικές αποκρίσεις R I d d R I d d RC R I d d C res inj res inj res inj C R res res res res o e d d R I d d 1 / I inj = I o

15 To πείραμα επιβεβαιώνει:

16 Τοπική απόκριση: αγωγή με μείωση Σταθερά μήκους λ: Η απόσταση στην οποία το ηλεκτροτονικά αγόμενο σήμα φθίνει στο 37% της μέγιστης έντασής του R m R R m i R i 1 2 r m i 1/ 2 d

17 Δυναμικά δράσης

18 Δημιουργία του δυναμικού δράσης

19 Το μοντέλο Hodgkin - Huxley dn/d = a n 1-n β n n dm/d = a m 1-m β m m dh/d = a h 1-h β h h 1963: «για τις ανακαλύψεις τους αναφορικά με τους εμπλεκόμενους στην κυτταρική διέγερση ιοντικούς μηχανισμούς...» I = C M d/d + g K n 4 - K + g Na m 3 h- Na + g l - l a n = /e +10/10 1 β n = e /80 a m = /e +25/10 1 β m = 4 e /18 a h = 0.07 e +20 β h = 1 /e +30/10 +1

20 Ιοντικοί δίαυλοι και πύλες

21 R. McKinnon 2003 Ένα κανάλι Κ +

22 Ηλεκτρική δραστηριότητα απομονωμένων διαύλων Κανάλια Να +

23 Ιδιότητες των δυναμικών ενεργείας Τασεοελεγχόμενη αδρανοποίηση Ανερέθιστες περίοδοι Προσαρμογή

24 Διάδοση του δυναμικού δράσης: αυτοενισχυόμενο σήμα

25 Επίδραση της μυελίνωσης στην αγωγή Ορισμένες νευρικές ίνες καλύπτονται από μυελίνη. Η μυελίνη σχηματίζεται από πολλαπλές περιελίξεις των κυττάρων Schwann Κάθε 1 με 2mm υπάρχουν κενά διαστήματα στο έλυτρο που ονομάζονται κόμβοι Ranvier Η μυελίνη αυξάνει την ταχύτητα αγωγής 1 Αυξάνοντας τη σταθερά μήκους του άξονα 2 Μειώνοντας τη χωρητικότητα του νευράξονα 3 Περιορίζοντας τη γένεση των δυναμικών ενέργειας στους κόμβους Ranvier

26 Η διάδοση του δυναμικού δράσης γίνεται με άλματα

27 Το δυναμικό δράσης Απόκριση με πραγματική αναστροφή της πολικότητας της μεμβράνης Διαδίδεται χωρίς μείωση σε όλο το μήκος της νευρικής ή μυϊκής ίνας Η ένταση και το σχήμα του παραμένουν σταθερά ανεξάρτητα από την ένταση διέγερσης όταν αυτή υπερβαίνει την ουδό Απόκριση «όλον ή ουδέν»