I C dv G n V E G m h V E G n V E

HMY 471/671 Νευροφυσιολογία και Αισθήσεις Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Homework 2 / Κατ Οίκον Εργασία 2 2015 Name/Όνομα: Date/Ημερ.: You may need some (or none) of the following equations/constants Μπορεί να χρειαστείτε κάποιες (ή καμία) από τις πιο κάτω εξισώσεις/σταθερές C P A Q MW X RT Co RT Co 61.54mV Co E ln 2.303 log log (at T=37 zf C zf C z C o C) i i i [ ] o [ ] C A i RT z E [ ] i [ ] C A o F z g E g E g E RT P C P A E ln ( 1) F P C P A E m k k Na Na Cl Cl g g g K Na Cl k k Na Na Cl Cl m m m m gk gna gcl dt m Im gk Ek gnaena gclecl Cm dt K Na Cl g E g E g E dv E I R C R r r m i V g g g 0 x V e dv z P [ C ] z P [ A ] A i ln ( z 1) z P [ C ] z P [ A ] 2 2 C o 2 2 C i A I C dv G n V E G m h V E G n V E dt m 4 3 4 m m K m K Na m Na L m L R: Σταθερά αερίων (gas constant) = 8.314472 (Volts Coulomb)/(Kelvin mol) F: Σταθερά Faraday = 96 485.3383 (Coulomb)/(mol) z: Σθένος (Valence) T: Απόλυτη Θερμοκρασία (absolute temperature) = 273.16 + o C (Kelvin) Extra Points/Έξτρα Βαθμοί Undergraduate students can get up to 5 additional points by successfully answering an equivalent number of Case Study questions. Graduate students can get up to 5 additional points by points by successfully answering an equivalent number of multiple choice questions Οι προπτυχιακοί φοιτητές μπορούν να κερδίσουν μέχρι και 5 επιπρόσθετες μονάδες με επιτυχή συμπλήρωση ανάλογου αριθμού ερωτήσεων από τη Μελέτη Περίπτωσης. Οι μεταπτυχιακοί φοιτητές μπορούν να κερδίσουν μέχρι και 5 επιπρόσθετες μονάδες με επιτυχή συμπλήρωση ανάλογου αριθμού ερωτήσεων πολλαπλής επιλογής. o Page 1

Multiple Choice Questions (10x3pts = 30 pts) Ερωτήσεις Πολλαπλής Επιλογής (10x3μ. = 30 μ.) 1. Sensory information, on its way to the cortex, passes through the Οι αισθητήριες πληροφορίες, καθοδόν προς τον φλοιό, περνούν από A. Basal Ganglia / Τα βασικά γάγγλια B. Thalamus / Τον θάλαμο C. Hypothalamus / Τον υποθάλαμο D. Cerebellum / Την παρεγκεφαλίδα 2. EDTA is a chemical which tightly binds Ca ++. When a pre-synaptic nerve, whose neurotransmitter is ACh, is stimulated in the presence of EDTA, EDTA acts as Το EDTA είναι ένα χημικό που δεσμεύει μόνιμα τα ιόντα Ca ++. Όταν ένας προσυναπτικός νευρώνας, του οποίου ο νευροδιαβιβαστής είναι ACh, διεγείρεται στην παρουσία EDTA, το EDTA δρα ως A. An agonist of Ca ++ / Αγωνιστής του Ca ++ B. An antagonist of Ca ++ / Ανταγωνιστής του Ca ++ C. An agonist of Ach / Αγωνιστής της ACh D. An antagonist of Ach / Ανταγωνιστής της ACh 3. Which of the following has been proposed as the coding mechanism by which different odors can be perceived and appropriately responded to? Ποιο από τα πιο κάτω έχει προταθεί ως ο μηχανισμός κωδικοποίησης με τον οποίο διαφορετικές οσμές μπορούν να γίνουν αντιληπτές και να προκαλέσουν τις κατάλληλες αντιδράσεις; A. Second messenger discrimination / Διάκριση δεύτερου αγγελιοφόρου B. Roughly Labeled lines / Γραμμές κατάταξης κατά προσέγγιση C. Functional reactivation / Λειτουργική επανενεργοποίηση D. Population coding / Πληθυσμιακή κωδικοποίηση 4. Amphetamines and cocaine have their effects on the brain-reward circuitry due to their action on which neurotransmitter system? Οι αμφεταμίνες και η κοκαΐνη επιδρούν στα κέντρα επιβράβευσης του εγκεφάλου λόγω της δράσης τους σε ποιο σύστημα νευροδιαβιβαστή; A. Dopamine Δοπαμίνη B. GABA C. Enkaphlin Ενγκεφαλίνη D. Norepinephrine Νορεπινεφρίνη 5. The "map" of the body's location in space is in the Ο χάρτης της θέσης του σώματος στο χώρο βρίσκεται στον A. Temporal lobe. Κροταφικό λοβό. B. Frontal lobe. Μετωπιαίο λοβό. C. Occipital lobe. Ινιακό λοβό. D. Parietal lobe. Βρεγματικό λοβό. Page 2

6. Which membrane lies closest to the brain? Ποια μεμβράνη βρίσκεται πιο κοντά στον εγκέφαλο; A. Pia mater Μαλακά Μήνιγγα B. Dura mater Σκληρά Μήνιγγα C. Arachnoid Αραχνοειδές Σύστημα D. Periosteum Περιόστεο 7. The receptors of odorants in the olfactory system Οι υποδοχείς των οσμηρών μορίων στο οσφρητικό σύστημα A. have broadly tuned responses. έχουν μεγάλο εύρος απόκρισης. B. are metbolotropic (G-protein coupled). είναι μεταβολοτροπικοί (συνδεδεμένοι με πρωτεΐνες G) C. are ionotropic ( flow of Ca2+, Na+, Cl-). είναι ιονοτροπικοί (ροή Ca2+, Na+, Cl-). D. are embedded in cells which produce graded potentials. είναι ενσωματωμένοι σε κύτταρα που παράγουν βαθμιδωτά δυναμικά. 8. Which of the following aspects of ingested substances is not detectable by the taste system of the mouth? Ποιο από τα πιο κάτω χαρακτηριστικά των βρώσιμων ουσιών δεν ανιχνεύονται από το γευστικό σύστημα μέσα στο στόμα; A. Temperature Θερμοκρασία B. Texture Υφή C. Potassium content Περιεχόμενο σε Κάλιο D. Concentration Συγκέντρωση 9. What is the function of odorant-binding proteins in the mucus? Ποιος είναι ο ρόλος των πρωτεϊνών που δεσμεύουν οσμηρά μόρια μέσα στη βλέννα; A. Concentrate odorants Αυξάνουν τη συγκέντρωση των οσμηρών μορίων B. Bind to viruses and bacteria Δεσμεύουν ιούς και βακτήρια C. Generate new receptor cells Δημιουργούν καινούργια κύτταρα με υποδοχείς D. Produce the mucus Παράγουν βλέννα Page 3

10. During brain development, the connections between neurons are defined by which principle Κατά την ανάπτυξης του εγκεφάλου, οι συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων καθορίζονται από την αρχή A. First in, first out /Πρώτος μέσα, πρώτος έξω B. Winner takes all / Ο νικητής τα παίρνει όλα C. Use them or lose them / Χρησιμοποίησε τες ή χάσε τες D. Preset by the genetic code / Προκαθορισμένες από τον γενετικό κώδικα Page 4

Short Answer Questions (70 pts) Ερωτήσεις με σύντομες απαντήσεις (70 μ.) 1. Two presynaptic neurons (A & B) synapse with a postsynaptic neuron as shown in the following figure. The synapse of neuron A is 4 mm from the axon hillock whereas the synapse of neuron B is 2 mm away. Neuron A is excitatory creating a depolarization of the postsynaptic neuron of 45 mv. Neuron B is inhibitory creating a hyperpolarization of the postsynaptic neuron of 15 mv. The threshold of the postsynaptic neuron is 10 mv above its rest potential. Its internal resistance is 20 Ω/mm while it membrane resistance is 80 Ωmm. If the potentials from neurons A and B arrive simultaneously at the axon hillock, will there be action potentials fired by the postsynaptic neuron. (10) Δύο προσυναπτικοί νευρώνες (Α & Β) επικοινωνούν συναπτικά με ένα μετασυναπτικό νευρώνα όπως φαίνεται πιο κάτω. Η σύναψη του νευρώνα Α βρίσκεται 4 mm από τον εκφυτικό κώνο ενώ του νευρώνα Β 2 mm. Ο νευρώνας Α είναι διεγερτικός και προκαλεί εκπόλωση 45 mv στον μετασυναπτικό νευρώνα. Ο νευρώνας Β είναι ανασταλτικός και προκαλεί υπερπόλωση 15 mv. Το κατώφλι του μετασυναπτικού νευρώνα είναι 10 mv πάνω από το δυναμικό ηρεμίας του. Η εσωτερική του αντίσταση είναι 20 Ω/mm και η αντίσταση της μεμβράνης του είναι 80 Ωmm. Αν τα δυναμικά από τους νευρώνες Α και Β φτάνουν ταυτόχρονα στον εκφυτικό κώνο, θα υπάρξουν δυναμικά ενεργείας στον μετασυναπτικό νευρώνα; (10) A B rm 80 2mm r 20 i xa xb 4 2 2 2 B V V e V e 45e 15e 6.17 4.55 1.62mV A There will be no APs at the postsynaptic neuron since the threshold will not be reached. Δεν θα παρουσιαστούν ΔΕ στον μετασυναπτικό νευρώνα μια και το δυναμικό δεν θα φτάσει το κατώφλι Page 5

2. What are the types of receptors that mediate the action of inhibitory synapses (mention at least 3)? Which neurotransmitters most commonly elicit inhibitory responses in the central nervous system? (5) Ποιοι τύποι υποδοχέων είναι αυτοί που μετέχουν στην ανασταλτική δράση των συνάψεων (αναφέρετε τουλάχιστον 3); Ποιοι νευροδιαβιβαστές συνήθως προκαλούν ανασταλτική απόκριση στο κεντρικό νευρικό σύστημα; (5) The receptors which can mediate inhibitory responses are Cl- channels K+ channels Metabotropic (G-protein coupled) receptors The inhibitory neurotransmitters of the central nervous system are GABA Glycine 3. VX poison gas is a potent inhibitor of acetylcholinesterase. What will be the effect of stimulating a synapse with ACh-gated ion channels in the presence of VX on the post-synaptic neuron? Explain why. (5) Το δηλητηριώδες αέριο VX είναι ένας ισχυρός αναστολέας της ακετυλοχολινεστεράσης. Ποια θα είναι η επίδραση της διέγερσης μιας σύναψης με ACh-ελεγχόμενους διαύλους ιόντων στην παρουσία VX στον μετασυναπτικό νευρώνα; Εξηγήστε γιατί. (5) VX will bind and inactivate AChE. As a result, when a synapse is activated with ACh, in the presence of VX, the neurotransmitter will not be split and will remain for a longer time and at a higher concentration at the synapse. The channels on the postsynaptic neuron will remain open and the postsynaptic neuron depolarized for longer and at high voltage with more APs. 4. A 67-year-old man presents to the Emergency Room (ER) with right side weakness and loss of sensation that started 3.5 hours ago while cooking. His wife reports that his speech was slurred and his hearing impaired initially but OK at the time of presentation. Ένας 67-χρονος άνδρας παρουσιάζεται στα Επείγοντα Περιστατικά (ΕΠ) με αδυναμία και απώλεια αίσθησης στη δεξιά πλευρά η οποία άρχισε 3.5 ώρες πριν, ενώ μαγείρευε. Η σύζυγος του αναφέρει ότι αρχικά τραύλιζε και είχε πρόβλημα με την ακοή του αλλά τώρα ήταν εντάξει. a. Indicate on the figures below, which area(s) was(were) involved initially and which area(s) was(were) involved at the time of the ER visit. (5) Δείξτε στις πιο κάτω εικόνες την(τις) περιοχή(ες) που εμπλέκονται αρχικά και τις περιοχές που εμπλέκονται κατά την παρουσίαση του στα ΕΠ. (5) b. What mechanism might be responsible for the reversal of the speech and hearing impediment? (5) Ποιος μηχανισμός μπορεί να ευθύνεται για την αντιστροφή της απώλειας ακοής και ομιλίας; (5) Page 6

Left Side Right Side a. See figure. Left Side Right Side b. c. The reversal may be a result of certain areas receiving collateral circulation and surviving the initial trauma of the stroke rather than dying. 5. Acid and NaCl stimuli are converted to electrical signals by common mechanisms. Τα όξινα και NaCl ερεθείσματα μετατρέπονται σε ηλεκτρικά σήματα από κοινούς μηχανισμούς. a. How can the brain recognize which stimulus is being detected? (5) Πως μπορεί ο εγκέφαλος να ξεχωρίζει ποιο ερέθισμα ανιχνεύεται; (5) b. How can the brain recognize complex tastes when only 5 different types of receptors are available? (5) Πως μπορεί ο εγκέφαλος να ξεχωρίζει πολύπλοκες γεύσεις με μόνο 5 διαφορετικούς τύπους υποδοχέων στη διάθεση του; (5) a. The brain can recognize which stimulus is being detected because the receptors are on different cells which are grouped by type in roughly labelled lines. Page 7

b. The brain can recognize complex tastes by using a large number of taste cells with broad responses (population coding) 6. In the lab of Dr. Frank Estein, a graduate student is investigating a new agent with neurological effects. He is testing it on a two-neuron synapse. If the new molecule is placed at the dendrites of the presynaptic neuron, it initiates action potentials at the postsynaptic neuron. If the same molecule is placed, at the same time, at the axon terminal of the presynaptic neuron, no action potentials are observed at the postsynaptic neuron. How can you explain that this molecule has opposite effects in each case? How is this possible? (5) Στο εργαστήριο του Δρ. Φράνκ Εστάιν, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής μελετά ένα καινούργιο μόριο με νευρολογικές παρενέργειες. Το μελετά σε ένα σύστημα δύο νευρώνων που σχηματίζουν μεταξύ τους μια σύναψη. Αν το μόριο τοποθετηθεί στους δενδρίτες του προσυναπτικού νευρώνα προκαλεί δυναμικά ενεργείας στον μετασυναπτικό νευρώνα. Αν το ίδιο μόριο τοποθετηθεί ταυτόχρονα στην απόλυξη του προσυναπτικού νευρώνα, δεν παρουσιάζονται δυναμικά ενεργείας στο μετασυναπτικό νευρώνα. Πως εξηγείτε το γεγονός ότι το ίδιο μόριο έχει αντίθετο αποτέλεσμα στις δύο περιπτώσεις; Πως είναι αυτό δυνατόν; (5) In the first case, the molecule acts as an agonist for the receptors on the dendrites of the presynaptic neuron. In the second case, it acts as a strong antagonist for the receptors on the dendrites of the postsynaptic neuron. This is possible since the receptors in each case do not necessarily have to be the same (or respond to the same neurotransmitter for that matter), they just have to have binding sites for the particular molecule with opposite effects in each case. Στην πρώτη περίπτωση, το μόριο δρα ως αγωνιστής για τους υποδοχείς των δενδριτών του προσυναπτικού νευρώνα. Στη δεύτερη περίπτωση, δρα ως ισχυρός ανταγωνιστής για τους υποδοχείς των δενδριτών του μετασυναπτικού νευρώνα. Αυτό είναι δυνατόν αφού οι υποδοχείς σε κάθε περίπτωση, δεν πρέπει κατ 'ανάγκη να είναι οι ίδιοι (ή ακόμα και να ανταποκρίνονται στο ίδιο νευροδιαβιβαστή), πρέπει μόνο να έχουν θέσεις δέσμευσης για το συγκεκριμένο μόριο με αντίθετα αποτελέσματα σε κάθε περίπτωση. 7. What do we mean by the term blood-brain barrier? Why is it necessary to have such a barrier? What problems might this barrier cause? (5) Τι εννοούμε με τον όρο αιματο-εγκεφαλικός φραγμός ; Γιατί είναι απαραίτητο να υπάρχει ένας τέτοιος φραγμός; Τι προβλήματα μπορεί να προκαλέσει αυτός ο φραγμός; (5) Unlike the peripheral circulation, capillary vessels in the brain form tight connections between each other allowing no leakage between the blood and the brain tissues. Such a barrier prevents the flow of anything that is not either a lipid soluble or a small neutral molecule and thus protects the brain from harmful substances and infections. Unfortunately, when we do have an infection (meningitis) or some other disease, it is difficult to deliver drugs to the brain (unless they are lipid soluble). Page 8

Σε αντίθεση με την περιφερική κυκλοφορία, τα τριχοειδή αγγεία στον εγκέφαλο σχηματίζουν συνδέσεις μεταξύ τους που δεν επιτρέπουν καμία διαρροή ανάμεσα στο αίμα και τους ιστούς του εγκεφάλου. Ένας τέτοιος φραγμός εμποδίζει τη ροή οποιουδήποτε μορίου που δεν είναι είτε ένα λιποδιαλυτό ή μικρό ουδέτερο μόριο και έτσι προστατεύει τον εγκέφαλο από βλαβερές ουσίες και μολύνσεις. Δυστυχώς, όταν έχουμε μια λοίμωξη (μηνιγγίτιδα) ή κάποια άλλη ασθένεια, είναι δύσκολο να μεταφερθούν τα φάρμακα στον εγκέφαλο (εκτός αν είναι λιποδιαλυτά). 8. After a motorcycle accident KF, a 30 year old woman, suffers brain trauma. Upon recovery from her other injuries, her doctor notices that she cannot follow complicated instructions which include several decision steps although she seems to have intact hearing and she understands each step in the instructions individually. Her family also notes that she uses profanities a lot more than before the accident. Can both of these problems be explained by injury at one site of her brain? If yes, how are they related? (5) Μετά από ένα ατύχημα με τη μοτοσυκλέτα της, η ΚΦ, μια γυναίκα 30 ετών, έχει τραυματιστεί στον εγκέφαλο. Όταν αναρρώνει από τα άλλα τhς τραύματα, ο γιατρός της παρατηρεί ότι δεν μπορεί να ακολουθήσει πολύπλοκες οδηγίες που περιλαμβάνουν πολλαπλά στάδια αποφάσεων παρά το γεγονός ότι η ακοή της είναι άθικτη και καταλαβαίνει το κάθε βήμα ξεχωριστά. Η οικογένεια της παρατηρεί, επίσης, ότι χρησιμοποιεί πολύ περισσότερες βωμολοχίες από ότι πριν το ατύχημα. Μπορούν αυτά τα δύο προβλήματα να εξηγούνται από τραύμα σε μια μόνο περιοχή του εγκεφάλου; Αν ναι, πως συνδέονται μεταξύ τους; (5) Both problems can be explained by trauma to the frontal cortex. They both involve strategizing. In the case of the first problem to decide what to do in the decision steps of the process and in the case of the second problem to decide what kind of language is appropriate for each situation. Και τα δύο προβλήματα μπορούν να εξηγηθούν από τραύμα στο μετωπιαίο φλοιό. Και τα δύο αφορούν στρατηγική. Στην περίπτωση του πρώτου προβλήματος για να αποφασίσει τα βήματα της διαδικασίας που θα εκτελέσει και στην περίπτωση του δεύτερου προβλήματος για να αποφασίσει τι είδους γλώσσα είναι κατάλληλη για κάθε περίπτωση. 9. Barbiturates are a class of anesthetics that affect GABA receptors. Based on what you know about GABA, are these drugs agonist or antagonists of the neurotransmitter? Explain why. (5) Τα βαρβιτουρικά είναι μια κατηγορία των αναισθητικών που επηρεάζουν τους υποδοχείς του GABA. Με βάση αυτά που ξέρετε για το GABA, είναι αυτά τα φάρμακα αγωνιστές ή ανταγωνιστές του νευροδιαβιβαστή; Εξηγήστε γιατί. (5) GABA is an inhibitory neurotransmitter. Since the anesthetic is most probably causing a lot of inhibition in the central nervous system, then we can assume that barbiturates are most likely agonists of GABA. Το GABA είναι ένας ανασταλτικός νευροδιαβιβαστής. Δεδομένου ότι το αναισθητικό πιθανότατα προκαλεί αρκετή αναστολή στο κεντρικό νευρικό σύστημα, τότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι τα βαρβιτουρικά είναι, πιο πιθανό, αγωνιστές του GABA. Page 9

10. What is the function of (a) the supporting cells and (b) the basal cells in the olfactory epithelium? (5) Ποιος ο ρόλος (α) των υποστηρικτικών κυττάρων και (β) των βασικών κυττάρων του οσφρητικού επιθηλίου; (5) The role of the supporting cells is to produce mucus whereas the role of the basal cells is to produce new olfactory receptor cells. Ο ρόλος των υποστηρικτικών κυττάρων είναι να παράγουν βλέννα ενώ ο ρόλος των βασικών κυττάρων είναι να παράγουν καινούργιους νευρώνες με οσφρητικούς υποδοχείς. 11. What is the difference between sensing and perception? Give one example where the two are not the same. (5) Ποια είναι η διαφορά μεταξύ αίσθησης και αντίληψης? Δώστε ένα παράδειγμα όπου τα δύο δεν είναι τα ίδια. (5) Sensing is the action of converting a stimulus to an electrical signal using specific receptors. Perception is what the cortex consciously recognizes based on the signal it receives from the receptors. One example where the two are not the same is the sense and perception of taste. The perception of taste incorporates (in addition to the actual signals from the taste receptors) the temperature, texture, and smell of the food. Αίσθησης είναι η μετατροπή ενός ερεθίσματος σε ένα ηλεκτρικό σήμα με τη χρήση συγκεκριμένων υποδοχέων. Αντίληψη είναι ότι ο φλοιός αναγνωρίζει συνειδητά με βάση το σήμα που λαμβάνει από τους υποδοχείς. Ένα παράδειγμα όπου οι δύο δεν είναι το ίδιο, είναι η αίσθηση και η αντίληψη της γεύσης. Η αντίληψη της γεύσης ενσωματώνει (εκτός από τα πραγματικά σήματα από τους υποδοχείς της γεύσης) τη θερμοκρασία, την υφή, και την οσμή του τροφίμου. Page 10

Case Study Wake Up and Smell The Office! (5 pts each) The rich, strong smell of coffee filled the newest coffee house in the small college town. The place was packed with students glued to their laptops coffee in one hand, mouse in the other. Sally, Alex, and Jenna were sitting together at one of the tables, discussing their latest biology project, Science in Everyday Life. Taking a sip from her water bottle, Sally said, - It s getting late and we still don t have a topic and this project is due the day after tomorrow! Let s get moving. We all have classes all day tomorrow and we are running out of time! - Don t worry, Sally, Alex said, after guzzling down his energy drink. We ll definitely get through it, we have plenty of time to finish and I m not tired whatsoever. Jenna, gulping down her third espresso latte of the night, added, - Yeah, Sally, we ll get through it, you just need some caffeine to keep you awake so we can finish it tonight. It will be the best project Professor Jackson has ever seen. - I don t understand why you both need caffeine. Stress keeps me going, Sally replied. - I m not addicted, said Jenna. Coffee just keeps me moving with all the demands of college life. I have at least one cup in the morning, one in the afternoon and two or more while studying in the evening. I ve been drinking coffee since the first day of my freshman year, and it s been working great. - I usually only need a quick boost every now and then before a deadline, added Alex. - That gives me a great idea why don t we focus our project on the effects of caffeine on the human body? interjected Sally. - Good idea, let s go with it. Now, where should we start? replied Alex. Jenna wondered what all of the caffeine she drank was doing to her brain. Sally told her that was why she avoided all unnecessary chemicals, and caffeine was unnecessary. Alex said it depends on your definition of necessary. He followed up with But what does caffeine do in the brain? The group began sifting through the websites they found while discussing the effects of caffeine that they noticed. - Well, for me, the main effect is that it keeps me alert. I don t feel sleepy even when studying late if I m drinking my coffee, said Jenna. - Yeah, Alex interjected, but too much and you get jittery. My hands start to shake and I can t sit still. Does that ever happen to you? Sally sniffed in a superior way, but remained quiet. - Yes, it does Jenna agreed. Does anyone see anything about the effects of caffeine on neurons on these websites? Sally looked up from her computer and asked - Has anyone ever heard of adenosine receptors? Adenosine seems to have something to do with sleep. - Hey, no fair coming up with new types of receptors, Alex said. And doesn t adenosine have something to do with ATP? How can it have receptors? - ATP stands for Adenosine Triphosphate, Sally reminded him. - The energy source for the cell they all chorused together, laughing at the memory of their studying together in their first biology course. - Maybe adenosine gets to go out without its triphosphate. I ll look it up in my neurobiology book. Sally pulled her book out of her sack. There are four types of adenosine receptors, she reported. They are g-protein coupled receptors. According to this book, caffeine seems to be an antagonist for these receptors. Page 11

Η πλούσια, έντονη μυρωδιά του καφέ γέμισε το νέο καφέ στη μικρή κολλεγιούπολη. Το μέρος ήταν γεμάτο με φοιτητές κολλημένους στους φορητούς υπολογιστές με καφέ στο ένα χέρι και το ποντίκι στο άλλο. Η Sally, ο Alex, και η Jenna κάθονται μαζί σε ένα από τα τραπέζια, συζητώντας την τελευταία εργασία τους στη βιολογία, "Επιστήμη στην καθημερινή ζωή." Πίνοντας μια γουλιά από το μπουκάλι με το νερό της, η Sally είπε, - "Είναι αργά και ακόμα δεν έχουμε βρει το θέμα και αυτή η εργασία πρέπει να παραδωθεί μεθαύριο! Ας κουνηθούμε. Όλοι έχουμε μαθήματα όλη την ημέρα αύριο και μας τελειώνει ο χρόνος! " - "Μην ανησυχείς, Sally," είπε ο Alex, αφού καταβρόχθισε το ενεργειακό ποτό του. "Σίγουρα θα τα καταφέρουμε, έχουμε πολύ χρόνο για να την τελειώσουμε και δεν νοιώθω καθόλου κουρασμένος. " Η Jenna, πίνοντας σχεδόν μονορούφι το τρίτο latte espresso της νύχτας, πρόσθεσε, - "Ναι, Sally, θα το περάσουμε και αυτό, το μόνο που χρειάζεσαι είναι λίγη καφεΐνη για να σε κρατήσει ξύπνια, ώστε να μπορέσουμε να την τελειώσουμε απόψε. Θα είναι η καλύτερη εργασία έχει δει ποτέ ο καθηγητής Jackson. " - Εγώ δεν καταλαβαίνω γιατί εσείς οι δύο χρειάζεστε καφεΐνη. Το στρες με κρατά εμένα, απάντησε η Sally. - Δεν είμαι εθισμένη, δήλωσε η Jenna. "Ο καφές με κρατά μόνο σε εγρήγορση για όλες τις απαιτήσεις της κολεγιακής ζωής. Πίνω τουλάχιστον ένα φλιτζάνι το πρωί, ένα το απόγευμα και δύο ή περισσότερα ενώ μελετώντας το βράδυ. Πίνω καφέ από την πρώτη ημέρα του πρώτου έτους της φοίτησής μου, και με βοηθά πολύ. " - Εγώ συνήθως χρειάζονται μόνο μια γρήγορη ώθηση που και που, πριν από την λήξη κάποιας προθεσμίας, πρόσθεσε ο Alex. - Αυτό μου δίνει μια καλή ιδέα... γιατί δεν επικεντρώνουμε την εργασία μας στις επιδράσεις της καφεΐνης στο ανθρώπινο σώμα παρενέβη η Sally. - "Καλή ιδέα, ας πάμε με αυτό. Τώρα, από πού θα πρέπει να αρχίσουμε; " απάντησε ο Alex. Η Jenna αναρωτήθηκε τι έχει κάνει στον εγκέφαλο της όλη αυτή η καφεΐνη που έπινε. Η Sally της είπε ότι γι αυτό αποφεύγει τις περιττές χημικές ουσίες, και η καφεΐνη είναι περιττή. Ο Alex είπε ότι εξαρτάται από τον δικό σου ορισμό του τι είναι απαραίτητο και ακολούθησε ρωτώντας "Αλλά τι κάνει η καφεΐνη στον εγκέφαλο;" Η ομάδα άρχισε να ξεσκονίζει τις ιστοσελίδες που βρήκαν να συζητούν τις επιδράσεις της καφεΐνης. - Λοιπόν, για μένα, το κύριο αποτέλεσμα είναι ότι με κρατά σε εγρήγορση. Δεν αισθάνομαι υπνηλία ακόμα και όταν μελετώ ως αργά αν πίνω τον καφέ μου, είπε η Jenna. - "Ναι," παρενέβη o Alex, "αλλά πάρα πολλή καφεΐνη και μπορεί να γίνεις νευρικός. Τα χέρια μου αρχίζουν να τρέμουν και δεν μπορώ να καθίσω ήσυχα. Μήπως αυτό συνέβη ποτέ σε σας; " Η Sally ρουθούνισε σαν από ανωτερότητα, αλλά παρέμεινε σιωπηρή. - "Ναι, συνέβει" συμφώνησε η Jenna. "Έχει δει κάποιος τίποτα σχετικά με τις επιδράσεις της καφεΐνης στους νευρώνες σε αυτές τις ιστοσελίδες;" Η Sally κοίταξε πάνω από τον υπολογιστή της και ρώτησε - "Έχει κανείς ακούσει ποτέ τον υποδοχέα της αδενοσίνης; Η αδενοσίνη φαίνεται να έχει κάτι να κάνει με τον ύπνο. " - "Για στάσου, δεν είναι δίκαιο να σκαρφίζεσαι νέους τύπους υποδοχέων," δήλωσε ο Alex. "Και δεν έχει η αδενοσίνη κάτι να κάνει με το ATP; Πώς μπορεί να έχει υποδοχείς; " - "ATP σημαίνει τριφωσφορική αδενοσίνη," τον θύμισε η Sally. - Η πηγή ενέργειας για το κύτταρο είπαν όλοι μαζί, γελώντας που θυμήθηκαν να διαβάζουν μαζί στο πρώτο μάθημα της βιολογίας τους. - "Ίσως η αδενοσίνη μπορεί να βγει έξω, χωρίς την τριφωσφορική της ομάδα. Θα το κοιτάξω στο βιβλίο μου της νευροβιολογία." Η Sally τράβηξε το βιβλίο της από την τσάντα. "Υπάρχουν τέσσερις τύποι υποδοχέων αδενοσίνης," αναφέρει. "Είναι υποδοχείς συζευγμένοι με G-πρωτεΐνες. Σύμφωνα με αυτό το βιβλίο, η καφεΐνη φαίνεται να είναι ένας ανταγωνιστής για αυτούς τους υποδοχείς." Page 2

A. Where in the brain does caffeine act? What are common physiological effects of caffeine consumption? Που στον εγκέφαλο επιδρά η καφεΐνη; Ποια είναι οι συνηθισμένες φυσιολογικές επιδράσεις της κατανάλωσης καφεΐνης; Given its effect on sleep and alertness, caffeine must act on the hypothalamus and probably portions of the brain stem. The greatest effects occur in the central nervous system, increased heart rate, increased alertness/agitation, constriction of blood vessels, less blood flow to the stomach. B. Propose reasons why Alex and Jenna feel the need to consume caffeine while Sally does not. Προτείνετε λόγους για τους οποίους ο Alex και η Jenna νοιώθουν την ανάγκη να καταναλώσουν καφεΐνη ενώ η Sally όχι. The need for caffeine could be psychological; the students associate stress (Alex) or a lack of energy (Jenna) with the need for caffeine to stimulate their system. They may be dependent on the substance and consumption has become a habit. In addition, Sally s higher stress levels may help keep her alert without the need for caffeine. C. Why does Jenna feel that she needs more caffeine than Alex? Γιατί η Jenna νοιώθει ότι χρειάζεται περισσότερη καφεΐνη από τον Alex; Jenna may feel the need for more caffeine since she may have developed a higher tolerance for caffeine as compared to Alex if she has been drinking coffee for an extended period of time. Alternatively, Jenna could experience higher metabolism of caffeine as compared to Alex, thus the effects for Jenna are short lived and she feels the need to consume more caffeine. Other biologically related answers would be acceptable. D. What are g-protein coupled receptors? Where are these receptors located in the cell? How do they work? Τι είναι υποδοχείς συζευγμένοι με πρωτεΐνες-g; Που βρίσκονται αυτοί οι υποδοχείς στο κύτταρο; Πως λειτουργούν; G-protein coupled receptors span the cell membrane. G-protein coupled receptors are receptors embedded in the cell membrane that act through a molecule called a G-protein, which can amplify a signal and can affect many proteins within the cell. They are slower acting than receptors that are themselves ion channels. Steps of how G-protein coupled receptors work: 1. The binding of adenosine (ligand) to the receptor in the cell membrane activates a G-protein attached to the membrane within the cell. (extracellular event) 2. The G-protein activates the enzyme adenylate cyclase within the membrane. (membrane associated) 3. Adenylate cyclase converts ATP to cyclic AMP (camp). (intracellular) camp is called a second messenger. 4. camp binds to regulator proteins, which activate protein kinase. (intracellular event) 5. Protein kinase phosphorylates various proteins and thus causes changes in the cell s activities. (intracellular) E. What is an antagonist for a receptor? What would an antagonist do? Given the symptoms of caffeine overdose what type of neurotransmitter is adenosine (excitatory or inhibitory)? Explain Τι είναι ένας ανταγωνιστής ενός υποδοχέα; Τι κάνει ένας ανταγωνιστής; Δεδομένων των συμπτωμάτων της υπερβολικής δόσης καφεΐνης, τι είδους νευροδιαβιβαστής είναι η αδενοσίνη (διεγερτικός ή ανασταλτικός); Εξηγήστε. An antagonist binds to the receptor, blocking the action of the agonist. It produces no effect inside of the cell, because it does not properly activate the receptor and thus no chemical cascade occurs. Page 3

Caffeine is an antagonist of adenosine, so a large dose of caffeine will diminish the effects of adenosine. Given the tremor and agitation after a large dose of caffeine one could assume that adenosine is an inhibitory neurotransmitter. F. Adenosine also decreases the effect of dopamine and during the day, adenosine levels rise. Given these attributes, can caffeine be addictive? Η αδενοσίνη επίσης μειώνει την επίδραση της δοπαμίνης και, κατά τη διάρκεια της ημέρας τα επίπεδα αδενοσίνης ανεβαίνουν. Με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά, είναι η καφεΐνη εθιστική; Caffeine would also block the decrease in the effect of dopamine, so dopamine would be more available. Dopamine is used by many systems throughout the brain and has a variety of effects. It also plays a major role in the reward circuit and seems to be crucial in drug addiction. Page 4