Homework 3 / Κατ Οίκον Εργασία

HMY 471/671 Νευροφυσιολογία και Αισθήσεις Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Homework 3 / Κατ Οίκον Εργασία 3 2017 Name/Όνομα: Ο Πιο Καλός Ο Μαθητής Date/Ημερ.: 25/10/2017 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 (16x2pts = 32 pts) Ερωτήσεις Πολλαπλής Επιλογής (16x2μ. = 32 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. Taste receptor cells are Τα κύτταρα με υποδοχείς της γεύσης A. found only on the tongue βρίσκονται μόνο στη γλώσσα B. unable to divide and multiply δεν διαιρούνται ούτε πολλαπλασιάζονται C. modified neural cells είναι τροποποιημένοι νευρώνες D. modified epithelial cells είναι τροποποιημένα επιθηλιακά κύτταρα 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. 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. 5. 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 Page 2

6. What is the main difference between sweet receptors and bitter receptors? Ποια είναι η κυριότερη διαφορά μεταξύ των υποδοχέων γλυκού και πικρού; A. Transduction mechanisms of both are different. Οι μηχανισμοί μετατροπής και των δύο είναι διαφορετικοί. B. G-protein-coupled receptors are present only in bitter receptors. Μόνο οι υποδοχείς πικρού έχουν σύζευξη με πρωτεΐνες G. C. Bitter and sweet receptor are composed of different variates of similar molecules. Οι υποδοχείς του πικρού και του γλυκού αποτελούνται από διαφορετικά είδη παρόμοιων μορίων. D. Second messenger pathway activation is different. Η ενεργοποίηση δεύτερων αγγελιοφόρων είναι διαφορετική. 7. What mechanism(s) does the brain use to distinguish between smells? Ποιο(ους) μηχανισμό(ούς) χρησιμοποεί ο εγκέφαλος για να ξεχωρίζει διαφορετικές μυρωδιές; A. Olfactory topographic map, Temporal code, Population code Οσφρητικό τοπογραφικό χάρτη, Χρονική κωδικοποίηση, Πλυθησμιακή κωδικοποίηση B. Population code / Πλυθησμιακή κωδικοποίηση C. Olfactory topographic map / Οσφρητικό τοπογραφικό χάρτη D. Temporal code / Χρονική κωδικοποίηση 8. What causes sour taste? Τι προκαλεί ξινή γεύση; A. High ph / Ψηλό ph B. Na+ C. Anions / Ανιόντα D. Protons (H+) / Πρωτόνια (H+) 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 10. Which part of the visual field occupies the largest portion of the primary visual cortex? Ποιο μέρος του οπτικού πεδίου καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος του πρωτοταγούς οπτικού φλοιού; A. The color receptive fields of the periphery Τα έγχρωμα υποδεκτικά πεδία της περιφέρειας B. The color receptive fields of the center Τα έγχρωμα υποδεκτικά πεδία του κέντρου C. The non-color receptive fields of the periphery Τα μη-έγχρωμα υποδεκτικά πεδία της περιφέρειας D. The non-color receptive fields of the center Τα μη-έγχρωμα υποδεκτικά πεδία του κέντρου Page 3

11. Our underwater vision is poor because Κάτω από το νερό η όραση μας δεν είναι καλή γιατί A. Water disperses light, making it impossible to focus. Το νερό διασκορπίζει το φως, καθιστώντας αδύνατο να εστιάσει. B. In water there is no longer a refractive index difference between the cornea and the surrounding media. Στο νερό, δεν υπάρχει πλέον διαφορά δείκτη διάθλασης μεταξύ του κερατοειδούς και του περιβάλλοντος υγρού. C. Water seeps into the iris, causing temporary cloudiness. Διαρρέει νερό μέσα στην ίριδα, προκαλώντας προσωρινή νέφωση. D. The hydrostatic pressure of water changes the shape of the eyeball. Η υδροστατική πίεση του νερού αλλάζει το σχήμα του βολβού του ματιού. 12. In the blob areas of the primary visual cortex, receptive fields are Στις κηλιδικές περιοχές του πρωτοταγούς οπτικού φλοιού, τα υποδεκτικά πεδία είναι A. Sensitive to rotation and direction Ευαίσθητα στην κατεύθυνση και τον προσανατολισμό. B. Center-surround with color opponency Κεντρο-περιφερικά με χρωματική ανταγωνιστικότητα C. Binocular / Διοφθάλμια D. Hyper-complex / Υπερ-πολύπλοκα 13. In which brain region would you expect to find very large, motion sensitive receptive fields that respond selectively to oriented moving edges, while lacking responsiveness to fine structural details? Σε πιο μέρος του εγκεφάλου θα περιμένατε να βρείτε πολύ μεγάλα υποδεκτικά πεδία, ευαίσθητα στη κίνηση, τα οποία ανταποκρίνονται επιλεκτικά σε αιχμές συγκεκριμένου προσανατολισμού που κινούνται σε συγκεκριμένη κατεύθυνση αλλά δεν ανταποκρίνονται σε δομικές λεπτομέρειες; A. Primary visual cortex / Πρωτοταγής Οπτικός Φλοιός B. Parietal lobe / Βρεγματικός Λοβός C. Temporal lobe / Κροταφικός Λοβός D. Thalamus / Θάλαμος 14. Which of the following is the major source of synaptic input to the visual nuclei of the thalamus? Ποιο από τα πιο κάτω είναι η κυριότερη πηγή σημάτων εισόδου στους οπτικούς πυρήνες του θαλάμου; A. Striate cortex / Ταινιωτός Φλοιός (V1) B. Retinal ganglion cells axons / Άξονες γαγγλιακών κυττάρων από τον αμφιβληστροειδή C. Extrastriate cortex / Εξωταινιωτός φλοιός D. Neurons in the brain stem / Νευρώνες του στελέχους του εγκεφάλου 15. Which of the following statements about the two visual nuclei of the thalamus (LGN) is FALSE? Ποιο από τα πιο κάτω είναι ΛΑΘΟΣ όσον αφορά στους δύο οπτικούς πυρήνες του θαλάμου (LGN); A. The four parvocellular layers have small receptive fields. Τα τέσσερα μικροκυτταρικά στρώματα έχουν μικρά υποδεκτικά πεδία B. Each LGN receives information from both the left and right eyes. Ο κάθε LGN δέχεται πληροφορίες και από το αριστερό και από το δεξί μάτι. C. The two magnocellular layers have large receptive fields. Τα δύο μεγαλοκυτταρικά στρώματα έχουν μεγάλα υποδεκτικά πεδία. D. The alternating layers represent alternate color sensitivities: red-green-red-green. Τα εναλλασώμενα στρώματα αντιπροσωπεύουν εναλλασόμενη ευαισθησία στο χρώμα: κοκκινο-πράσινο-κόκκινο-πράσινο Page 4

16. James, age 22, was riding a motorbike when he had an accident. A neuropsychological test revealed that James suffered extensive damage to area V4 in the ventral stream. What is the most likely deficit resulting from a V4 lesion? Select the correct option. Ο James, ηλικίας 22 ετών, είχε σε δυστύχημα με την μοτοσικλέτα του. Ένα νευρολογικό τέστ έδειξε ότι είχε εκτεταμένη ζημιά στην περιοχη V4 της κοιλιακής οδού. Ποιο είναι το πιο πιθανόν αποτέλεσμα από τέτοια ζημιά; A. Loss of peripheral vision / Απουσία περιφερικής όρασης B. Loss of total vision / Απουσία όλης της όρασης C. Loss of motion perception / Απουσία αντίληψης της κίνησης D. Loss of color perception / Απουσία αντίληψης του χρώματος Page 5

Short Answer Questions (68 pts) Ερωτήσεις με σύντομες απαντήσεις (68 μ.) 1. What is the difference between sensing and perception? Give one example where the two are not the same. 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. 2. 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? 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? 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. b. The brain can recognize complex tastes by using a large number of taste cells with broad responses (population coding) Page 6

3. What is the function of (a) the supporting cells and (b) the basal cells in the olfactory epithelium? 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. 4. The eye has the capacity to adapt to situations of varying light intensity. Το μάτι έχει τη δυνατότητα να προσαρμόζεται σε διαφορετικές εντάσεις φωτός. a. Why is this adaptation necessary? Για ποιο λόγο χρειάζεται αυτή η προσαρμογή; (2) b. What are the adaptations that the eye undergoes when moving from a bright to a dark room? Ποιες είναι οι προσαρμοστικές αλλαγές στο μάτι κατά τη μετάβαση από φωτεινό σε σκοτεινό δωμάτιο; (2) c. Why does it take 20-25 minutes for complete light adaptation? Γιατί χρειάζονται 20-25 λεπτά για πλήρη προσαρμογή στο φώς; (2) d. What is the role of Calcium in this process? Ποιος είναι ο ρόλος του Ασβεστίου σε αυτή τη διαδικασία; (2) a. This adaptation is necessary so that we can maintain a large dynamic range of vision under radically different light conditions (i.e. be able to detect subtle differences in light intensity whether it is very dark or very bright). Η προσαρμογή αυτή είναι απαραίτητη, ώστε το δυναμικό εύρος της όρασης να διατηρείται ευρύ κάτω από ριζικά διαφορετικές συνθήκες φωτισμού (δηλαδή να είναι σε θέση να ανιχνεύει πολύ μικρές διαφορές στην ένταση του φωτός είτε είναι πολύ σκοτεινά ή πολύ φωτεινά). b. From bright to dark, the adaptions include: pupil dilation, increase of rhodopsin, circuit adaptation. Από το φως στο σκοτάδι, οι προσαρμογές περιλαμβάνουν: διαστολή της κόρης, αύξηση της ροδοψίνης, προσαρμογή κυκλωμάτων. c. It takes 20-25 minutes for full light adaptation since some of the actions described above require some time to be fully complete. New rhodopsin formation and circuit adaptation require gene expression and protein transcription. Παίρνει 20-25 λεπτά για την πλήρη προσαρμογή στο φως, δεδομένου ότι ορισμένες από τις ενέργειες που περιγράφονται παραπάνω απαιτούν κάποιο χρόνο για να ολοκληρωθούν πλήρως. Σχηματισμός νέας ροδοψίνης και προσαρμογή κυκλωμάτων απαιτούν γονιδιακή έκφραση και μεταγραφή πρωτεϊνών. Page 7

d. Calcium serves as a feedback mechanism modulating the Na channels tending to maintain steady steady. When the Na channels are open (in the dark) Ca flows in, which reduces the cgmp which then closes the Na channels. Το ασβέστιο λειτουργεί ως μηχανισμός ανάδρασης διαμορφώνοντας τους διαύλους Na τείνοντας να διατηρήσει μια σταθερή κατάσταση. Όταν οι δίαυλοι Na είναι ανοικτοί (στο σκοτάδι) Ca ρέει μέσα, το οποίο μειώνει το cgmp, το οποίο στη συνέχεια κλείνει τους διαύλους Na. 5. Is the ability to visually perceive depth the same in all parts of the visual field? Explain why. Where in the striate cortex the first depth-sensitive receptive fields appear? Does loss of one eye completely impair the loss of depth perception? Explain why? Είναι η ικανότητα αντίληψης του βάθους η ίδια σε όλο το οπτικό πεδίο; Εξηγήστε γιατί; Που στον ταινιωτό φλοιό παρουσιάζονται τα πρώτα υποδεκτικά πεδία ευαίσθητα στο βάθος ; Αν το ένα μάτι καταστραφεί χάνουμε εντελώς την ικανότητα να αντιλαμβανόμαστε το βάθος; Εξηγήστε γιατί. (10) The ability to perceive depth is not the same for the entire visual field. The temporal parts of the field are only visualized only by one eye and, hence, depth perception from binocular vision does not work at those parts of the field. However, even if the vision is monocular (e.g. when one eye is lost) we can still perceive depth based on several other visual cues, e.g. relative and absolute size of objects, details, etc., which our brain uses to estimate the distance. Η ικανότητα να αντίληψης του βάθους δεν είναι η ίδια για όλη την οπτικό πεδίο. Τα κροταφικά τμήματα του πεδίου είναι ορατά μόνο από το ένα μάτι και, ως εκ τούτου, η διοφθάλμια όραση δεν λειτουργεί σε εκείνα τα τμήματα του πεδίου. Ωστόσο, ακόμη και αν η όραση προέρχεται μόνο από ένα μάτι (π.χ. όταν το ένα μάτι χάνεται) μπορούμε να αντιληφθούμε ακόμα το βάθος με βάση διάφορα άλλα οπτικά στοιχεία, π.χ. σχετικό και απόλυτο μέγεθος των αντικειμένων, λεπτομέρειες, κ.λπ., τα οποία ο εγκέφαλος μας χρησιμοποιεί για να υπολογίσει την απόσταση. 6. Why is the best resolution in the eye provided by the fovea? Is this optimal resolution available under low light conditions? Γιατί το κεντρικό βοθρίο παρέχει την καλύτερη ευκρίνεια στο μάτι; Είναι διαθέσιμη αυτή η βέλτιστη ευκρίνεια υπό συνθήκες χαμηλού φωτισμού; (5) The fovia provides the best resolution because (i) there are no cells over the photoreceptors and (ii) there are very small receptive fields (one-to-one connections). This optimal resolution is not available under low light conditions since the receptors there are mostly cones which are not as sensitive as rods. Το βοθρίο παρέχει την καλύτερη ευκρίνεια επειδή (i) δεν υπάρχουν κύτταρα πάνω από τους φωτοϋποδοχείς και (ii) υπάρχουν πολύ μικρά υποδεκτικά πεδία (μία-προς-μία συνδέσεις). Η βέλτιστη ευκρίνεια δεν είναι διαθέσιμη υπό συνθήκες χαμηλού φωτισμού, δεδομένου ότι οι υποδοχείς εκεί είναι ως επί το πλείστον κώνοι που δεν είναι τόσο ευαίσθητο όπως ράβδους. Page 8

7. At the distant planet of Tatooine, the warlord Jabba the Hutt has the unique ability of detecting ultrasound signals with sensors scattered randomly on his body. He can detect signals from 1 MHz to 10 MHz with a precision of 10 KHz. The sensors are variations of the same molecular structure, with minor changes, and there are only 10 different types. Στο μακρινό πλανήτη Tatooine, ο πολέμαρχος Jabba ο Hutt έχει τη μοναδική ικανότητα να ανιχνεύει σήματα υπερήχων με αισθητήρες διάσπαρτους τυχαία στο σώμα του. Μπορεί να ανιχνεύσει σήματα από 1 MHz έως 10 MHz με ακρίβεια 10 KHz. Οι αισθητήρες είναι παραλλαγές της ίδιας μοριακή δομή, με μικρές διαφορές, και υπάρχουν μόνο 10 διαφορετικά είδη. a. How could Jabba detect the ultrasound signals with such a good precision with only 10 different types of sensors? Explain (not just mention a method). Πως θα μπορούσε ο Jabba να ανιχνεύσει τα υπερηχητικά σήματα με τόσο καλή ακρίβεια με μόνο 10 διαφορετικούς τύπους αισθητήρων; Εξηγήστε (μην αναφέρεται απλά τη μέθοδο). (5) b. Can you predict the centre frequency and bandwidth of each type of sensor? Provide your best guess and explain your reasoning based on what you know about the human brain. Μπορείτε να προβλέψετε την κεντρική συχνότητα και το εύρος ζώνης κάθε είδους αισθητήρα; Παρουσιάστε την καλύτερη σας εκτίμηση και εξηγήστε το σκεπτικό σας με βάση ότι ξέρετε για τον ανθρώπινο εγκέφαλο. (5) c. Given that the sensors are very similar, how can Jabba s brain differentiate between different signals? Suggest a possible distribution of the outputs of each type of sensor in Jabba s brain in the figure below. Provide your best guess and explain your reasoning based on what you know about the human brain. Δεδομένου ότι οι αισθητήρες είναι πολύ παρόμοιοι, πώς μπορεί ο εγκέφαλος του Jabba να διακρίνει μεταξύ των διαφόρων σημάτων; Εξηγήστε (μην αναφέρεται απλά τη μέθοδο). Προτείνετε μια πιθανή κατανομή των εξόδων του κάθε είδους αισθητήρα στον εγκέφαλο του Jabba στο πιο κάτω σχήμα. Παρουσιάστε την καλύτερη σας εκτίμηση και εξηγήστε το σκεπτικό σας με βάση ότι ξέρετε για τον ανθρώπινο εγκέφαλο. (5) Left Primary Ultrasound Cortex Αριστερός Πρωτοταγής Υπερηχητικός Φλοιός Right Primary Ultrasound Cortex Δεξιός Πρωτοταγής Υπερηχητικός Φλοιός Page 9

1 MHz 2 MHz 3 MHz 4 MHz 5 MHz 6 MHz 7 MHz 8 MHz 9 MHz a. Jabba can detect the ultrasound signals with high precision using population coding of a small number of receptors each with a broad and overlapping bandwidth. By combining the responses from several different receptors, Jabba s brain can estimate the actual frequency of the signal. b. Given that Jabba has only ten different receptors and each frequency must be covered by at least two receptors (so that the actual frequency can be estimated) a possible receptor configuration could be: Receptor Center f (MHz) Bandwidth (MHz) 1 1 2 2 2 2 3 3 2 4 4 2 5 5 2 6 6 2 7 7 2 8 8 2 9 9 2 10 10 2 c. Jabba s brain does not confuse signals from similar receptors using probably labeled lines to carry the information to the brain. This means that the outputs of similar receptors are grouped together and travel together to specific regions of the brain. In the human brain, outputs are mapped anatomically or in some other order. Since the receptors in Jabba s body are randomly distributed, anatomic mapping is not that probable. However, since the outputs are in labelled lines by frequency, it stands to reason that they remain grouped in the brain and are probably mapped by frequency. 10 MHz 10 MHz 1 MHz 2 MHz 3 MHz 4 MHz 5 MHz 6 MHz 7 MHz 8 MHz 9 MHz Page 10

8. Describe signal transduction in taste receptors that respond to a sweet stimulus and compare this transcduction process to signal transduction in an olfactory receptor. An illustration of the steps involved in signal transduction of each of these stimuli will be helpful, however, you must also provide a written outline of the steps of signal transduction. (15) Περιγράψετε τη μετατροπή στα γευστικά κύτταρα που ανταποκρίνονται σε γλυκά ερεθίσματα και συγκρίνετε με τη διαδικασία μετατροπής στα οσφρητικά κύτταρα. Σχήματα τα οποία να δείχνουν τα στάδια της διαδικασίας για το καθένα από αυτά τα ερεθίσματα μπορεί να είναι χρήσιμα αλλά πρέπει υποχρεωτικά να περιγράψετε και με λόγια το κάθε βήμα. (15) In both cases the stimulant molecule binds to a protein receptor expressed on the cell membrane of the receptor and activates a G-protein on the inside of the receptor cell membrane, which in turn activates a second messenger system in the receptor. In the case of the sweet taste receptor the second messenger pathway results in the release of neurotransmitter onto a sensory afferent axon. Olfactory receptors are neurons that have an axon that synapse on neurons in the olfactory bulb, there is no sensory afferent axon. In the case of the olfactory receptor the second messenger pathway leads to the generation of an action potential that is conducted along the axon. The ions involved in both the sweet taste receptor and olfactory receptor include Na+ and Ca++. In the olfactory receptor Cl- ions are also involved. The details of signal transduction in these two types of receptors are provided below. A sweet taste stimulus molecule (ex. Sucrose) activates a taste receptor by binding to a protein receptor expressed on the taste receptor cell apical membrane. This binding activates a G- protein that initiates a second messenger pathway in the receptor cell. The second messenger produced can lead to the release of neurotransmitter in two ways: 1) by triggering the release of intracellular calcium stores, 2) by triggering the opening of second-messengersensitive sodium channels in the receptor cell membrane. The opening of the sodium channels leads to depolarization and the opening of voltage gated calcium channels on the basal cell membrane. In either case, the increase in calcium concentration in the cytosol causes the release of neurotransmitter from the receptor on to the gustatory sensory afferent axon that innervates the taste receptor cell. In the case of a receptor that responds to a sweet stimulus, the neurotransmitter that is released is ATP. The olfactory receptors express one or more receptor proteins that bind odorant molecules. The olfactory receptor protein is linked to a G- protein that is activated when an odorant binds to the receptor. The G-protein in turn activates a second messenger which binds to and opens Ca 2+ /Na + channels in the cell membrane. The influx of Ca 2+ and Na + depolarizes the receptor, and the Ca 2+ also binds to and opens chloride channels on the receptor membrane. When the Cl - channels open, Cl - flows out. The outflow of negative charge reinforces the depolarization of the receptor membrane potential. This reinforcement of the depolarization makes olfactory receptors particularly sensitive to odorant molecules, and is the reason why some odors can be detected at very low concentrations. The depolarization of the receptor leads to the initiation of action potentials in the olfactory receptor axon. Page 11

Case Study Wake Up and Smell The Office! (32 pts) 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 2

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; (6) 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. (6) 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; (5) 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; (5) 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. (5) 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; (5) 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