ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΝΕΥΡΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ & ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΤΩΝ ΕΝ ΟΚΡΙΝΩΝ

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΝΕΥΡΟΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ & ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΤΩΝ ΕΝ ΟΚΡΙΝΩΝ Εργαστήριο Φυσιολογίας Τµήµα Ιατρικής Πανεπιστηµίου Θεσσαλίας Λάρισα 2011

ΥΝΑΜΙΚΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ: Α. Ηλεκτρική διέγερση και δυναµικό ενεργείας - Η επίδραση της έντασης του ερεθίσµατος - Η επίδραση της εξωκυττάριας συγκέντρωσης νατρίου στη δηµιουργία του δυναµικού ενεργείας - Η επίδραση των µεταβολών της αγωγιµότητας της µεµβράνης στο Νa ή Κ - Ανερέθιστη περίοδος Β. Πειράµατα καθήλωσης δυναµικού της µεµβράνης - Ιοντικά ρεύµατα - Γραφική παράσταση ρεύµατος-δυναµικού (I-V plot) - Η επίδραση της εξωκυττάριας συγκέντρωσης [Νa] o στο δυναµικό αναστροφής ΝΕΥΡΟΜΥΙΚΟ ΠΑΡΑΣΚΕΥΑΣΜΑ: - Καταγραφή µυογραφήµατος ισοτονικής συστολής - Καταγραφή µυογραφήµατος µε άθροιση συστολών Τετανική συστολή - Μυϊκός κάµατος ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑ ΥΠΝΟΣ 2

ΥΝΑΜΙΚΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ: ΥΝΑΜΙΚΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΝΕΥΡΩΝΑ ΚΑΛΑΜΑΡΙΟΥ Α. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα πειράµατα που ακολουθούν γίνονται µε τη χρήση υπολογιστή και βασίζονται σε µοντέλο του γιγαντιαίου νευράξονα καλαµαριού. Οι αρχικές µελέτες που έγιναν στο παρασκεύασµα αυτό βοήθησαν στην κατανόηση του τρόπου δηµιουργίας και αγωγής των δυναµικών ενεργείας στους νευρώνες. Οι γνώσεις µας σχετικά µε τους µηχανισµούς δηµιουργίας των δυναµικών ενεργείας βασίζονται στην ερευνητική δουλειά των Alan Hodgkin και Andrew Huxley που έγινε από το 1939 έως το 1955. Οι ερευνητές αυτοί έκαναν τις πρώτες ενδοκυττάριες καταγραφές δυναµικών ενεργείας και µε πειράµατα που σχεδίασαν και έκαναν, χρησιµοποιώντας τη µέθοδο «καθήλωσης δυναµικού» ( voltage clamp technique), διερεύνησαν τον ρόλο τον ιόντων όπως και τις µεταβολές της µεµβράνης στην διαπερατότητα των ιόντων σε σχέση µε το δυναµικό της. Οι µελέτες τους αυτές επιβραβεύτηκαν µετά από 20 χρόνια µε το βραβείο Nobel. Οι τεχνικές που ανέπτυξαν είναι χρονοβόρες και δύσκολες στη χρήση τους. Η χρήση όµως του ηλεκτρονικού µοντέλου δεν απαιτεί την εκµάθηση και γνώση των τεχνικών αυτών ενώ αναπαριστά κάποια από τα κλασσικά πειράµατα των Hodgkin & Huxley. Επίσης δίνει τη δυνατότητα στον φοιτητή να παρακολουθήσει τον συλλογισµό και τον σχεδιασµό των πειραµάτων από τους Hodgkin & Huxley αλλά επιπλέον ο φοιτητής µπορεί να προχωρήσει στο σχεδιασµό των δικών του πειραµάτων. Από την εργασία των Hodgkin & Huxley, αλλά και των άλλων ερευνητών που µελετούν τους βασικούς µηχανισµούς του κυττάρου, έχουν προκύψει δύο σηµαντικές γνώσεις. Πρώτον, οι οµοιότητες µεταξύ κυττάρων που προέρχονται από διαφορετικά είδη, συνήθως υπερέχουν σε σπουδαιότητα των διαφορών ανάµεσα στα ζώα. εύτερον, για να καταλάβει κανείς γενικούς µηχανισµούς λειτουργίας του κυττάρου είναι προτιµότερο στις µελέτες του να χρησιµοποιεί παρασκευάσµατα που είναι πιο προσιτά στην καλύτερη τεχνική που έχει τη δυνατότητα να χρησιµοποιήσει. Η µελέτη σε βάθος του µηχανισµού δηµιουργίας δυναµικών ενεργείας στους νευρώνες 3

επιτεύχθηκε µε τη µελέτη των µηχανισµών αυτών στο νευράξονα του καλαµαριού καθώς η διάµετρος του είναι µεγάλη, περίπου 1 χιλιοστό (η διάµετρος των µεγαλύτερων νευαξόνων στον άνθρωπο ή τα άλλα θηλαστικά είναι περίπου 10 µm). Η µεγάλη διάµετρος του νευράξονα του καλαµαριού έκανε εφικτές τις ακριβείς µετρήσεις, µε τη βοήθεια ενδοκυττάριων καταγραφών, των δυναµικών ενεργείας και των ιοντικών ρευµάτων που τα προκαλούν. Μετά τις αρχικές µελέτες των Hodgkin & Huxley, έχει πλέον τεκµηριωθεί πως οι βασικοί κυτταρικοί µηχανισµοί δηµιουργίας των δυναµικών ενεργείας είναι ίδιοι στο καλαµάρι και στον άνθρωπο. Το ίδιο ισχύει και για άλλες αρχές της κυτταρικής φυσιολογίας. Αξίζει επίσης να σηµειωθεί πως τα θεωρητικά (µαθηµατικά) µοντέλα των Hodgkin & Huxley που περιέγραφαν τους ιοντικούς µηχανισµούς που ήταν υπεύθυνοι για τη δηµιουργία του δυναµικού ενεργείας προηγήθηκαν της γνώσης µας για τη δοµή των ιοντικών διαύλων ως πρωτεΐνες που σχηµατίζουν πόρους που είναι επιλεκτικοί στη διάβαση ιόντων. Αυτό απετέλεσε χειροπιαστή απόδειξη όχι µόνο της οξυδέρκειας και γνώσης των ερευνητών αυτών αλλά και της αξίας των µοντέλων στην βιολογία. Η γνώση των βασικών κυτταρικών µηχανισµών συχνά µας βοηθά να σχεδιάσουµε νέες θεραπείες: για παράδειγµα η ανάπτυξη ανταγωνιστών διαύλων νατρίου που µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως τοπικά αναισθητικά ή ανταγωνιστών διαύλων καλίου που µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε παθήσεις που χαρακτηρίζονται από µυϊκή αδυναµία όπως είναι το Μυασθενικό Σύνδροµο Lambert-Eaton. Οι θεραπείες που προαναφέρθηκαν βασίζονται στις γνώσεις µας για τη δηµιουργία των δυναµικών ενεργείας που προέκυψαν από τις µελέτες στο νευράξονα του καλαµαριού. Β. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Windows XP Κάντε διπλό «Click» στο Squid axon programme Στο κύριο menu υπάρχουν δύο επιλογές A: Electrical Stimulation of the action potential. B: Voltage clamp experiments. Ολοκληρώστε πρώτα την ενότητα Α πριν προχωρήσετε στην ενότητα Β Μπορείτε κατά τη διάρκεια της άσκησης να πατήσετε την ένδειξη 'Help', όποτε θεωρείτε πως χρειάζεστε βοήθεια. 4

Α. ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΙΕΓΕΡΣΗ ΚΑΙ ΥΝΑΜΙΚΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (Electrical Stimulation and the Action Potential) ΠΕΙΡΑΜΑ 1: Η ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΕΡΕΘΙΣΜΑΤΟΣ Για να δηµιουργήσετε δυναµικό ενεργείας χρειάζεται να εφαρµόσετε το κατάλληλο ερέθισµα. Πριν αρχίσετε βεβαιωθείτε πως όλες οι ενδείξεις είναι στις θέσεις που παρουσιάζονται στην παρακάτω εικόνα. Η ένταση του ερεθίσµατος πρέπει να είναι 0.1 ma. Μπορείτε να µεταβάλλετε τις τιµές που παρουσιάζονται στον δείκτη της οθόνης είτε µετακινώντας το τετράγωνο πατώντας το συνεχώς µε το ποντίκι και µετακινώντας το ή κάνοντας «Click» στα βέλη που βρίσκονται δεξιά και αριστερά του. Όταν καθορίσετε την ένταση του ερεθίσµατος κάντε «Click» στην ένδειξη 'Draw' ώστε να καταγράψετε την απάντηση. Στην οθόνη εµφανίζονται 4 καταγραφές. Η πρώτη είναι το δυναµικό της µεµβράνης (Em) σε mv. Η δεύτερη (stim) δείχνει την ένταση του ερεθίσµατος που εφαρµόζεται. Ο οριζόντιος άξονας των καταγραφών αντιπροσωπεύει τον χρόνο σε msec. Σηµειώστε ότι µε η εφαρµογή του ερεθίσµατος προκαλεί απότοµη µεταβολή του δυναµικού της µεµβράνης η οποία όµως εξασθενεί γρήγορα. Αυτό συµβαίνει 5

γιατί η ένταση του ερεθίσµατος δεν είναι αρκετή να προκαλέσει δυναµικό ενεργείας, το ερέθισµα δηλαδή είναι υπο-βαλβιδικό (υπο-ουδικό). Για τον φοιτητή (στο τετράδιο εργασιών): Αυξήστε την ένταση του ερεθίσµατος που εφαρµόζετε κάθε φορά, (π.χ διπλασιάζοντας το κάθε φορά, 0.20, 0.40, 0.80 ma) και περιγράψτε αυτό που συµβαίνει. Ποιο ερέθισµα µόλις υπερβαίνει τον ουδό και δηµιουργεί δυναµικό ενεργείας; Η τρίτη καταγραφή δείχνει τις µεταβολές στην αγωγιµότητα του καλίου (G K )και η τέταρτη του νατρίου (G Na ). Σηµειώστε πως και οι δύο αγωγιµότητες αυξάνουν, αλλά η G Na αυξάνεται γρήγορα κατά την εκπόλωση, ενώ G K η βραδύτερα. Και οι δύο αγωγιµότητες ελαττώνονται όταν η µεµβράνη επαναπολώνεται. 6

ΠΕΙΡΑΜΑ 2: Η ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΑΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΝΑΤΡΙΟΥ ΣΤΗ ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΥΝΑΜΙΚΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Σβήστε όλες τις καταγραφές που έχετε κάνει µέχρι τώρα κάνοντας «Click» στην ένδειξη 'Erase'. Ρυθµίστε την ένταση του ερεθίσµατος σε µια υπερ-βαλβιδική τιµή, όπως έχετε βρει από το Πείραµα 1 και καταγράψτε ένα δυναµικό ενεργείας. Στη συνέχεια ελαττώστε την εξωκυττάρια συγκέντρωση του νατρίου και παρατηρήστε τι επίδραση θα έχουν οι µεταβολές αυτές στο δυναµικό ενεργείας. Μεταβάλλετε τις τιµές της [Να]ο σε 440, 220, 110 κλπ. Για τον φοιτητή (στο τετράδιο εργασιών): Καταγράψτε τις µετρήσεις σας Περιγράψτε τις µεταβολές στο ύψος και τη διάρκεια του δυναµικού ενεργείας σε κάθε συγκέντρωση νατρίου Η [Να]ο είναι υψηλή, αλλά θυµηθείτε πως οι µετρήσεις γίνονται σε νευράξονα καλαµαριού και το παρασκεύασµα διατηρείτε σε τεχνητό θαλασσινό νερό προκειµένου να λειτουργεί. Η συγκέντρωση του νατρίου στο θαλασσινό νερό είναι υψηλότερη από αυτή του πλάσµατος. Η ενδοκυττάρια συγκέντρωση του νατρίου είναι περίπου 50mM. H εξίσωση του Nernst υπολογίζει το δυναµικό της µεµβράνης όταν αυτή είναι διαπερατή σε ένα µόνο ιόν. Η εξίσωση του Nernst: Ας υποθέσουµε πως κατά το µέγιστο ύψος του δυναµικού ενεργείας, η µεµβράνη είναι διαπερατή µόνο στο νάτριο. Μετρήστε το εύρος του δυναµικού ενεργείας σε κάθε συγκέντρωση [Να]ο. Στη συνέχεια συγκρίνετε τις τιµές που υπολογίσατε µε βάση την εξίσωση του Nernst µε τις µετρήσεις σας. Καταγράψτε τα αποτελέσµατα σας στον παρακάτω πίνακα: 7

Για να µετρήσετε το εύρος του δυναµικού ενεργείας τοποθετείτε µε το ποντίκι τον δείκτη στο σηµείο που θέλετε και τότε στο κάτω αριστερά σηµείο της οθόνης εµφανίζονται οι µετρήσεις. Οι µετρήσεις σας επαληθεύουν την αρχική σας υπόθεση (απόλυτα, µερικά ή καθόλου); Εξηγήστε την απάντηση σας. Επαναλάβετε τις µετρήσεις µε λίγο µεγαλύτερη ένταση ερεθίσµατος. Τι παρατηρείτε; 8

ΠΕΙΡΑΜΑ 3: Η ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΤΗΣ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ ΣΤΟ Na Ή K Τα τοπικά αναισθητικά όπως η λιδοκαϊνη παρεµποδίζουν την αύξηση της αγωγιµότητας του νατρίου (G Na ) κατά τη διάρκεια του δυναµικού ενεργείας. ηµιουργούν έτσι τοπική αναισθησία γιατί παρεµποδίζουν την αγωγή των δυναµικών ενεργείας. Η τεροδοτοξίνη (ΤΤΧ, δηλητήριο από το ψάρι puffer που βρίσκεται στις θάλασσες της Ιαπωνίας) έχει παρόµοια δράση και συχνά χρησιµοποιείται ερευνητικά ως ειδικός αναστολέας των διαύλων νατρίου. Η ΤΤΧ δεν χρησιµοποιείται στην κλινική πράξη γιατί είναι εξαιρετικά τοξική και δεν µεταβολίζεται επαρκώς. Άλλες ουσιες όπως το τετραεθυλαµµώνιο (ΤΕΑ) ή η 4-αµινοπυριδίνη, επηρεάζουν τους διαύλους καλίου και παρεµποδίζουν τις µεταβολές στην αγωγιµότητα του καλίου (G K ). Μπορούµε να µελετήσουµε τις επιδράσεις των φαρµάκων βάζοντας στο µοντέλο µας τις τιµές των G Na ή G K στο µηδέν. Η επίδραση της λιδοκαϊνης Βάλτε τις ενδείξεις στις αρχικές τιµές (πχ φυσιολογική [Να]ο), σβήστε τις καταγραφές που έχετε κάνει και στη συνέχεια καταγράψτε ένα δυναµικό ενεργείας. Ελαττώστε την µέγιστη αγωγιµότητα του νατρίου (G Na ) όσο το δυνατόν πιο κοντά στο µηδέν και παρατηρήστε την επίδραση που έχει. Σχεδιάστε αυτό που βλέπετε και σηµειώστε ποια απόκριση είναι φυσιολογική και ποια οφείλεται στον ανταγωνιστή των διαύλων Να. Η αύξηση στην αγωγιµότητα του νατρίου είναι φυσιολογικά υπεύθυνη για την γρήγορη εκπόλωση του κυττάρου, αλλά στο πείραµα η G Na παρεµποδίζεται. Η απάντηση που καταγράφεται όταν αναστέλλεται η G Na περιγράφεται ως ηλεκτροτονική εκπόλωση: το δυναµικό της µεµβράνης επιστρέφει στην αρχική κατάσταση ηρεµίας µετά την εφαρµογή του εκπολωτικού ερεθίσµατος, χωρίς να 9

προκαλέσει δυναµικό ενεργείας µε ρυθµό που εξαρτάται από τις παθητικές ηλεκτρικές ιδιότητες του νευρώνα (αγωγιµότητα της µεµβράνης σε κατάσταση ηρεµίας, χωρητικότητα της µεµβράνης και εσωτερική αντίσταση). Η ηλεκτροτονική αυτή εκπόλωση είναι παρόµοια µε την επίδραση ενός υπο-βαλβιδικού ερθίσµατος γιατί και σε αυτή την περίπτωση η G Na δεν µεταβάλλεται. Η επίδραση του ΤΕΑ Η µεθοδολογία που χρησιµοποιείται είναι παρόµοια µε αυτή που περιγράφεται στην επίδραση της λιδοκαϊνης. Βάλτε ξανά την τιµή της αγωγιµότητας του Να στο 60 (G Na max=60) και καταγράψτε ένα δυναµικό ενεργείας. Ελαττώστε τη µέγιστη τιµής της αγωγιµότητας του Κ (G K ) σχεδόν κοντά στο µηδέν και παρατηρήστε την επίδραση που έχει. Σχεδιάστε αυτό που βλέπετε και σηµειώστε ποια απόκριση είναι φυσιολογική και ποια όταν η G K είναι περίπου κοντά στο µηδέν. Τι σας φανερώνει η παρατήρηση σας αυτή για τον φυσιολογικό ρόλο που παίζει η αύξηση της αγωγιµότητας Οι µεταβολές της αγωγιµότητας της µεµβράνης κατά το δυναµικό ενεργείας Συµπερασµατικά, κατά την εκπόλωση αυξάνεται η G Na που προκαλεί ρεύµα ιόντων νατρίου προς τα έσω και οδηγεί σε περαιτέρω εκπόλωση του κυττάρου. Πρόκειται για µηχανισµό θετικής επανατροφοδότησης (positive feedback). Για τον λόγο αυτό συχνά περιγράφεται πως το δυναµικό ενεργείας υπακούει στο νόµο του όλο ή ουδέν. Με το χρόνο όµως η αγωγιµότητα του νατρίου ελαττώνεται. Η ελάττωση αυτή ονοµάζεται απενεργοποίηση των διαύλων νατρίου. Η όψιµη αύξηση της G K προάγει την επαναπόλωση του κυττάρου αλλά οδηγεί επίσης σε ελάττωση της G K. Όταν το δυναµικό της µεµβράνης επιστρέφει στο δυναµικό ηρεµίας, η G K επιστρέφει στο αρχικό επίπεδο. Πρόκειται για ένα µηχανισµό αρνητικής επανατροφοδότησης (negative feedback). 10

ΠΕΙΡΑΜΑ 4: ΑΝΕΡΕΘΙΣΤΗ ΠΕΡΙΟ ΟΣ Για σύντοµο χρονικό διάστηµα µετά το δυναµικό ενεργείας, ο νευράξονας δεν ανταποκρίνεται σε δεύτερο ερέθισµα που δίνεται. Η περίοδος αυτή ονοµάζεται ανερέθιστη. Μπορεί να διαιρεθεί σε δύο τµήµατα: το πρώτο, που ονοµάζεται απόλυτη ανερέθιστη περίοδος που ακολουθείται από τη σχετική ανερέθιστη περίοδο. Σηµειώστε πως στο συγκεκριµένο πείραµα τα παραπάνω έχουν κάπως διαφορετική σηµασία από αλλού. Απόλυτη ανερέθιστη περίοδος Βάλτε τις αγωγιµότητες στις αρχικές τιµές (G Na max=60, G K max=30). ώστε το πρώτο ερέθισµα όπως και στα προηγούµενα πειράµατα (ο χρόνος για το πρώτο ερέθισµα είναι προκαθορισµένος στα 0.5ms από την έναρξη και δεν µεταβάλλεται) ώστε το δεύτερο ερέθισµα µε µέγιστη τιµή έντασης (1.20mA) σε χρονική απόσταση 2 ms, 3 ms, 4 ms κλπ από την έναρξη. Μετρήστε τον χρόνο µεταξύ των δύο ερεθισµάτων, όταν το δεύτερο ερέθισµα προκαλεί δυναµικό ενεργείας (ακόµη και αν αυτό δεν έχει µέγιστο εύρος). Ο χρόνος αυτός είναι η απόλυτη ανερέθιστη περίοδος. Σηµειώστε: Η απόλυτη ανερέθιστη περίοδος είναι από 0 ms έως ms. Σχετική ανερέθιστη περίοδος Σβήστε από την οθόνη όλες τις καταγραφές ώστε το δεύτερο ερέθισµα µε τη ίδια ένταση όπως και προηγουµένως αλλά σε χρόνους 2 ms, 4 ms, 6 ms κλπ από την έναρξη. Μετρήστε τον χρόνο µεταξύ των δύο ερεθισµάτων όταν η απάντηση στο δεύτερο ερέθισµα επιστρέφει στο φυσιολογικό. Η σχετική ανερέθιστη περίοδος εκτείνεται από το τέλος της απόλυτης ανερέθιστης περιόδου µέχρι το σηµείο αυτό. Σηµειώστε: Η σχετική ανερέθιστη περίοδος είναι από.. ms έως ms. Γιατί δεν δηµιουργούνται δυναµικά ενεργείας κατά τη διάρκεια της απόλυτης ανερέθιστης περιόδου; Γιατί ένα υπερβαλβιδικό ερέθισµα δεν προκαλεί δυναµικό ενεργείας κατά την σχετική ανερέθιστη περίοδο; 11

Β. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΚΑΘΗΛΩΣΗΣ ΥΝΑΜΙΚΟΥ ΤΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ (Voltage clamp experiments) Η τεχνική καθήλωσης του δυναµικού της µεµβράνης (Voltage clamp) χρησιµοποιείται από τους φυσιολόγους για να µετρήσουν κυρίως τα ρεύµατα ιόντων που ρέουν δια µέσου της κυτταρικής µεµβράνης παρά τις µεταβολές του δυναµικού της. Υπάρχουν δύο τεχνικές: η καθήλωση του δυναµικού ολόκληρης της κυτταρικής µεµβράνης (whole-cell clamp), η οποία µας επιτρέπει να µετρήσουµε το συνολικό ιοντικό ρεύµα που ρέει δια µέσου της κυτταρικής µεµβράνης και η καθήλωση του δυναµικού µεµονωµένων ιοντικών διαύλων (single-channel patch clamp) µε την οποία µετράµε το ιοντικό ρεύµα από µεµονωµένους διαύλους (από πρωτεΐνες) της κυτταρικής µεµβράνης. Οι περισσότεροι δίαυλοι επιτρέπουν την διέλευση ορισµένων µόνο ιόντων δια µέσου αυτών, γεγονός που εξηγεί την εκλεκτική διαπερατότητα των µεµβρανών. Τα πειράµατα που θα κάνετε στην µεµβράνη του καλαµαριού γίνονται µε την τεχνική καθήλωσης του δυναµικού ολόκληρης της κυτταρικής µεµβράνης (wholecell clamp). Η βασική αρχή της τεχνικής είναι η καθήλωση του δυναµικού της µεµβράνης σε µια τιµή που επιλέγεται από τον ερευνητή. Για τον λόγο αυτό διοχετεύεται ηλεκτρικό ρεύµα στο κύτταρο. Το ρεύµα που απαιτείται για να καθηλώσει το δυναµικό της µεµβράνης, κατά τη διάρκεια προκαθορισµένων κλιµακωτών µεταβολών του δυναµικού της ή κατά τη διάρκεια χορήγησης φαρµάκων, ισούται προς το ρεύµα που µεταφέρεται από ιόντα που ρέουν δια µέσου της µεµβράνης όταν το δυναµικό της έχει την προκαθορισµένη τιµή. Οι πληροφορίες που αποκτήθηκαν µε πειράµατα καθήλωσης δυναµικού (voltage-clamp) διαφώτισαν πολλές πτυχές της κυτταρικής λειτουργίας και βοήθησαν στον σχεδιασµό και ανάπτυξη νέων φαρµάκων. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η καταγραφή του ιοντικού ρεύµατος διαµέσου της κυτταρικής µεµβράνης (Ιm). Εναλλακτικά, µπορείτε να καταγράψετε την αγωγιµότητα του νατρίου (G Na ) ή καλίου (G K ). Στην περίπτωση αυτή χρειάζεται να κάνετε «click» στην ένδειξη «Mode». 12

13

ΠΕΙΡΑΜΑ 5: ΙΟΝΤΙΚΑ ΡΕΥΜΑΤΑ Επιλέξτε το Β (Voltage clamp experiments) από το κύριο menu. Προκαλέστε εκπόλωση του κυττάρου από το δυναµικό ηρεµίας -70 mv σε µία νέα τιµή δυναµικού 0 mv, για µία περίοδο 8 msec (µεταξύ 1 και 9 msec από την έναρξη) όπως φαίνεται στην εικόνα της οθόνης στην προηγούµενη σελίδα. Σηµειώστε ότι: Το κύτταρο µένει αυτόµατα σε -70 mv για 1 msec. Με τον επάνω αριστερά δείκτη (Τhen Εm:) µπορείτε να δηµιουργήσετε κλιµακωτές µεταβολές του δυναµικού η διάρκεια των οποίων καθορίζεται από τον µεσαίο αριστερό δείκτη (Until X ms). Για τα επόµενα πειράµατα ο κάτω αριστερά δείκτης πρέπει να είναι στην τιµή -70 mv. Χωρίς τις κλιµακωτές µεταβολές του δυναµικού, η παραπάνω εκπόλωση θα οδηγούσε στη δηµιουργία δυναµικού ενεργείας. Με τη καθήλωση του δυναµικού της µεµβράνης αποφεύγουµε την δηµιουργία δυναµικού ενεργείας. Τα ιοντικά ρεύµατα που µετράτε φυσιολογικά είναι αυτά που παρατηρούνται κατά τη δηµιουργία ενός δυναµικού ενεργείας. Το ρεύµα που ρέει διαµέσου της µεµβράνης (σηµαίνεται ως Im) έχει 3 στοιχεία: Όταν το δυναµικό της µεµβράνης µεταβάλλεται σε µια νέα τιµή, καταγράφεται ένα σύντοµης διάρκειας ρεύµα που οφείλεται στην φόρτιση της ηλεκτρικής χωρητικότητας της κυτταρικής µεµβράνης και δεν οφείλεται σε ροή ιόντων. Ακολουθεί ένα πρώιµο προς τα έσω ιοντικό ρεύµα (καταγράφεται ως αρνητική απόκλιση) Ακολουθεί όψιµο προς τα έξω ιοντικό ρεύµα (καταγράφεται ως θετική απόκλιση) Τα δύο τελευταία στοιχεία αποτελούν ξεχωριστά ιοντικά ρεύµατα που οφείλονται στη ροή ιόντων νατρίου και καλίου αντίστοιχα. Μπορούµε να δείξουµε πως πρόκειται για δύο ξεχωριστά ιοντικά ρεύµατα, αν µεταβάλλουµε τις εξωκυττάριες συγκεντρώσεις των ιόντων αυτών ή αν χρησιµοποιήσουµε φαρµακευτικές ουσίες που παρεµποδίζουν εκλεκτικά τους διαύλους νατρίου (τετροδοτοχίνη-ττχ) ή καλίου (τετραεθυλαµµώνιο- ΤΕΑ). 14

Η επίδραση της ΤΤΧ Βάλτε τη µέγιστη αγωγιµότητα του νατρίου (G Na max) περίπου στο µηδέν. Σχεδιάστε παρακάτω τα αποτελέσµατα σας και σηµειώστε την καµπύλη ελέγχου (control) και την καταγραφή που παίρνετε όταν G Na max=0 Το πρώιµο προς τα έσω ιοντικό ρεύµα που καταγράφεται αναστέλλεται από την ΤΤΧ. Παραµένει µόνο το όψιµο προς τα έξω ιοντικό ρεύµα που οφείλεται σε ιόντα καλίου. Το ρεύµα Κ συµβάλλει στην αποκατάσταση του δυναµικού της µεµβράνης µετά τη µέγιστη τιµή του δυναµικού ενεργείας. Η επίδραση τους ΤΕΑ Βάλτε τη G Na max=60. Βάλτε τη µέγιστη αγωγιµότητα του καλίου (G Κ max) περίπου στο µηδέν Σχεδιάστε παρακάτω τα αποτελέσµατα σας και σηµειώστε την καµπύλη ελέγχου (control) και την καταγραφή που παίρνετε όταν G Κ max=0 15

Στην περίπτωση αυτή αναστέλλεται από το ΤΕΑ το όψιµο προς τα έξω ιοντικό ρεύµα που καταγράφεται. Παραµένει µόνο το πρώιµο προς τα έσω ιοντικό ρεύµα που οφείλεται σε ιόντα νατρίου. Σηµειώστε ότι αντίθετα προς το ρεύµα καλίου, το ρεύµα νατρίου αρχικά αυξάνεται αλλά στη συνέχεια ελαττώνεται γιατί η καθήλωση δυναµικού διατηρεί σταθερό το δυναµικό της µεµβράνης. Η ιδιότητα αυτή του ρεύµατος νατρίου ονοµάζεται απενεργοποίηση. Περιγράψτε εν συντοµία πως τα παραπάνω µπορούν να ερµηνεύσουν την απόλυτη ανερέθιστη περίοδο µετά από ένα δυναµικό ενεργείας. 16

ΠΕΙΡΑΜΑ 6: ΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ- ΥΝΑΜΙΚΟΥ (I-V PLOT) Η ακριβής σχέση µεταξύ δυναµικού και του µεγέθους των ρευµάτων νατρίου και καλίου διαµέσου της κυτταρικής µεµβράνης είναι πολύ σηµαντική για την «υπόθεση του ρεύµατος ιόντων νατρίου» στη δηµιουργία του δυναµικού ενεργείας. Η σχέση αυτή µεταξύ ιοντικού ρεύµατος και δυναµικού περιγράφεται αρκετά καθαρά µε το διάγραµµα ρεύµατος-δυναµικού ή όπως αλλιώς είναι γνωστό ως I-V plot. Βάλτε την G Κ max περίπου στο µηδέν Βάλτε την εξωκυττάρια συγκέντρωση νατρίου στην φυσιολογική τιµή (440 mm) Εφαρµόστε παλµούς καθήλωσης δυναµικού της µεµβράνης σε διάφορα επίπεδα χρησιµοποιώντας τον δείκτη που βρίσκεται επάνω και αριστερά. οκιµάστε τις εξής τιµές δυναµικού: -80, -60, -40, -20, 0, +20, +40, +60 mv. Παίρνεται µια σειρά καταγραφών ρευµάτων Νa που εξαρτώνται από το δυναµικό της µεµβράνης και τον χρόνο. Μετρήστε το εύρος των ιοντικών ρευµάτων στην κάθε περίπτωση χρησιµοποιώντας τον δροµέα (cursor) και τοποθετήστε τις τιµές στον παρακάτω πίνακα: Σχεδιάστε το διάγραµµα ρεύµατος-δυναµικού (I-V plot) 17

Η περιοχή των δυναµικών της µεµβράνης όπου η κλίση της καµπύλης είναι αρνητική ονοµάζεται περιοχή αγωγιµότητας µε αρνητική κλίση. Είναι η περιοχή όπου η διαβατότητα της µεµβράνης είναι ασταθής κατά την εκπόλωση που συµβαίνει όταν δηµιουργείται ένα δυναµικό ενεργείας. Κάθε µικρή εκπόλωση της µεµβράνης στην περιοχή αυτή προκαλεί αύξηση της αγωγιµότητας του νατρίου η οποία εκπολώνει περαιτέρω την κυτταρική µεµβράνη µε µηχανισµό θετικής επανατροφοδότησης. Για τον λόγο αυτό η φάση εκπόλωσης του δυναµικού ενεργείας είναι επανατροφοδοτούµενη και υπακούει στο νόµο του όλο ή ουδέν. Όταν η καµπύλη ρεύµατος-δυναµικού (I-V plot) τέµνει τον οριζόντιο άξονα, η πολικότητα του ιοντικού ρεύµατος αντιστρέφεται από αρνητικό (προς τα έσω) σε θετικό (προς τα έξω). Η τιµή του δυναµικού στο σηµείο αυτό αναφέρεται ως δυναµικό αναστροφής. 18

ΠΕΙΡΑΜΑ 7: Η ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΑΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΝΑΤΡΙΟΥ [Νa]o ΣΤΟ ΥΝΑΜΙΚΟ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗΣ Από τη γραφική παράσταση που σχεδιάσατε στο πείραµα 6 έχετε την τιµή του δυναµικού αναστροφής για το νάτριο όταν η [Νa]o=440mM. Ελαττώστε την εξωκυττάρια συγκέντρωση Νατρίου [Νa]o=220mM και επαναλάβετε το πείραµα 6 ώστε να υπολογίσετε το δυναµικό αναστροφής. Συγκρίνετε τις τιµές του δυναµικού αναστροφής που υπολογίσατε µε αυτές που προκύπτουν από την εξίσωση του Nernst. Αν οι τιµές αυτές συµφωνούν τα πειραµατικά δεδοµένα υποστηρίζουν την υπόθεση πως το προς τα έσω ιοντικό ρεύµα οφείλεται σε ιόντα νατρίου. Γιατί το νάτριο εξέρχεται από το κύτταρο όταν το δυναµικό υπερβεί το δυναµικό αναστροφής; Ερµηνεύστε την µορφολογία U που εµφανίζει η Νa I-V plot (λάβετε υπόψη την ηλεκροχηµική κλίση και τον αριθµό των ιοντικών διαύλων που είναι ανοιχτοί σε κάθε φάση). Ποιο θα ήταν το δυναµικό αναστροφής αν η εξωκυττάρια συγκέντρωση νατρίου ήταν 110mM; Σε ποιο δυναµικό της µεµβράνης εµφανίζεται για πρώτη φορά προς τα έσω ρεύµα νατρίου; Τι καθορίζει τον ουδό δηµιουργίας ενός δυναµικού ενεργείας; 19

ΝΕΥΡΟΜΥΙΚΟ ΠΑΡΑΣΚΕΥΑΣΜΑ: Εισαγωγή Η σύσπαση των σκελετικών µυών ελέγχεται από κινητικούς νευρώνες, που ξεκινούν από το νωτιαίο µυελό και κατανέµονται στις µυϊκές ίνες, όπου σχηµατίζουν τη νευροµυϊκή σύναψη (σχήµα 1). Κάθε κινητικός νευρώνας νευρώνει µία οµάδα ινών, του ιδίου µυός, οι οποίες συσπώνται όταν διεγείρεται ο νευρώνας. Ο κινητικός νευρώνας µαζί µε το σύνολο των µυϊκών ινών που νευρώνει, αποτελούν µία κινητική µονάδα. Οι κινητικοί νευρώνες σχηµατίζουν συνάψεις µε πολλές µυϊκές ίνες, αλλά κάθε µυϊκή ίνα νευρώνεται από ένα µόνο κινητικό νευρώνα. Η διέγερση των σκελετικών µυϊκών ινών εξαρτάται από τη δραστηριότητα των κινητικών νευρώνων. Όταν ένα δυναµικό ενεργείας παράγεται σε ένα κινητικό νευρώνα όλες οι µυϊκές ίνες της κινητικής του µονάδας συστέλλονται. Τα δυναµικά ενεργείας δεν µεταδίδονται από το ένα σκελετικό µυϊκό κύτταρο στο άλλο. Η ένταση συστολής εξαρτάται από τον αριθµό των κινητικών µονάδων που επιστρατεύονται. Σχήµα 1. Νευροµυϊκή σύναψη. Οι νευράξονες των κινητικών νευρώνων πριν φθάσουν στη µυϊκή ίνα, αποβάλουν το έλυτρο µυελίνης και µε αρκετές µικροδιακλαδώσεις προσαρµόζονται στις πτυχώσεις 20

της µυϊκής µεµβράνης (συναπτική σχισµή). Η περιοχή της κυτταροπλασµατικής µεµβράνης που βρίσκεται στη συναπτική σχισµή, έχει ειδικές ιδιότητες και ονοµάζεται τελική κινητική πλάκα. Στις προσυναπτικές απολήξεις του κινητικού νευρώνα, βρίσκεται αποθηκευµένη σε συναπτικά κυστίδια ακετυλοχολίνη. Όταν το δυναµικό ενεργείας φτάνει στη νευρική απόληξη, προκαλεί εκπόλωση της µεµβράνης και απελευθέρωση ακετυλοχολίνης στη συναπτική σχισµή. Η ακετυλοχολίνη δεσµεύεται από ειδικούς (χολινεργικούς νικοτινικούς) υποδοχείς στην τελική κινητική πλάκα, προκαλώντας το άνοιγµα µη εκλεκτικών διαύλων (Na + K + και Ca 2+ ) και την τοπική εκπόλωση της µεµβράνης, που ονοµάζεται δυναµικό τελικής πλάκας (end plate potential, EPP). Όταν επιτευχθεί ο ουδός, δηµιουργείται δυναµικό ενεργείας, το οποίο εξαπλώνεται στην µεµβράνη του µυϊκού κυττάρου και ενεργοποιεί το µηχανισµό της µυϊκής συστολής. Τελικά, η ακετυλοχολίνη διασπάται από το ένζυµο χολινεστεράση. Στη λειτουργία της νευροµυϊκής σύναψης επιδρούν φάρµακα όπως το κουράριο (προσδένεται στους υποδοχείς ακετυλοχολίνης, αλλά δεν ανοίγει τους διαύλους ιόντων και δεν διασπάται από τη χολινεστεράση), η εξωτοξίνη του κλωστηριδίου του τετάνου (αναστέλλει τη δράση ανασταλτικών νευρώνων των κινητικών νευρώνων, µε αποτέλεσµα τη νευροµυϊκή υπερδραστηριότητα), η αλλαντική τοξίνη (εµποδίζει την απελευθέρωση ακετυλοχολίνης από τα συναπτικά κυστίδια) και η νεοστιγµίνη (εµποδίζει τη δράση της χολινεστεράσης και αυξάνει τη συγκέντρωση ακετυλοχολίνης στην περιοχή της τελικής κινητικής πλάκας). Μυϊκή συστολή Μυϊκή τάση ονοµάζεται η δύναµη/ cm 2 η που ασκείται πάνω στα άκρα ενός συστελλόµενου µυός, ενώ η δύναµη που εξασκεί το βάρος ενός αντικειµένου στο µυ ονοµάζεται φορτίο. Στην ισοµετρική συστολή (σχήµα 2α) το µήκος της µυϊκής ίνας δε µεταβάλλεται (σταθερό µήκος), όπως στην περίπτωση που ο µυς υποστηρίζει Σχήµα 2. α) Ισοµετρική σύσπαση, β) Ισοτονική σύσπαση. 21

φορτίο σε σταθερή θέση ή προσπαθεί να κινήσει ένα φορτίο µεγαλύτερου µεγέθους από τη µυϊκή τάση. Η συστολή κατά την οποία το φορτίο πάνω στο µυ παραµένει σταθερό και ο µυς βραχύνεται λέγεται ισοτονική (σταθερή τάση) (σχήµα 2β). Εκτός από τη διέγερση των σκελετικών µυϊκών ινών από τη δραστηριότητα των κινητικών νευρώνων, είναι δυνατόν να προκληθεί συστολή µε µηχανική ή µε ηλεκτρική διέγερση του µυ. Η µηχανική διέγερση (σύνθλιψη, τσίµπηµα, τρύπηµα) µπορεί να οδηγήσει στην απότοµη εισροή µεγάλων ποσοτήτων νατρίου και την ανάπτυξη δυναµικού ενεργείας. Η τεχνική επαγωγή ηλεκτρικού φορτίου στη µεµβράνη προκαλεί µεγάλη ροή ιόντων µέσα απ αυτή και έτσι µπορεί να αναπτυχθεί δυναµικό ενεργείας. 22

Άσκηση 1. Καταγραφή µυογραφήµατος ισοτονικής συστολής Η καταγραφή της µυϊκής συστολής του γαστροκνήµιου µυός βατράχου θα γίνει µε την µορφή καµπύλης, που παριστάνει την βράχυνση του µυ σε συνάρτηση µε το χρόνο. Θα χρησιµοποιηθεί ειδική διάταξη για την καταγραφή ισοτονικών συστολών. Για την παραγωγή ηλεκτρικών ερεθισµάτων για τη διέγερση του µυ χρησιµοποιείται ηλεκτρικός διεγέρτης. Πειραµατική διαδικασία Α. Νευροµυϊκό παρακεύασµα (Σχήµα 3) -Θυσιάζουµε τον βάτραχο -Κάνουµε τοµή στο δέρµα στην µεσότητα του µηρού και στη συνέχεια βγάζουµε το Ισχυακό νεύρο Μηριαίο οστό Γαστροκνήµιος µυς Αχίλλειος τένοντας Σχήµα 3. Νευροµυϊκό παρασκεύασµα δέρµα από όλο το κάτω άκρο. - Αποχωρίζουµε τους µυς που περιβάλλουν το µηριαίο οστό. -Εντοπίζουµε το ισχυακό νεύρο (µοιάζει µε αργυρόλευκη κλωστή) και το κόβουµε κοντά στον κορµό. -Κόβουµε µε το ψαλίδι τον αχίλλειο τένοντα στην κατάφυση του στην πτέρνα. -Συλλαµβάνουµε µε λαβίδα τον τένοντα, και έλκουµε τον γαστροκνήµιο µυ προς τα πάνω, ενώ ταυτόχρονα µε το ψαλίδι τον αποχωρίζουµε από τους υπόλοιπους µυς της κνήµης, µέχρι εγγύς της κατά γόνυ άρθρωσης. -Με το ψαλίδι κόβουµε την κνήµη (οστό και µυς εκτός από τον γαστροκνήµιο) αµέσως κάτω από την κατά γόνυ άρθρωση. -Με ψαλίδι κόβουµε το µηριαίο οστό και τους µυς που το περιβάλλουν πάνω από την άρθρωση, προσέχοντας να µην κόψουµε το ισχιακό νεύρο. 23

-Στηρίζουµε το παρασκεύασµα µε ειδικό στήριγµα, συνδέουµε το παρασκεύασµα µε τον ισοτονικό µετατροπέα και αρχίζουµε την καταγραφή (σχήµα 4). Προενισχυτής Μυς Σχήµα 4. Ανάρτηση γαστροκνηµίου µυ. Β. Καταγραφή µυϊκής συστολής α. Καταγραφή συστολών µε ερέθισµα διαφορετικής έντασης (µέγιστη συστολή, µέγιστο ερέθισµα) - Με το ηλεκτρόδιο ηλεκτρικού διεγέρτη δίνουµε στο νεύρο ή στο µυ ερεθίσµατα µε προοδευτικά αυξανόµενη τάση. -Αρχικά χρησιµοποιούµε ερέθισµα µικρής τάσεως, ώστε να µην προκαλείται συστολή. -Αυξάνουµε βαθµιαία την τάση του ερεθίσµατος µέχρις ότου να βρούµε την ουδό (το ελάχιστο ερέθισµα που θα προκαλέσει την µυϊκή συστολή). -Συνεχίζουµε να αυξάνουµε την τάση του ερεθίσµατος. Όταν η τάση των ερεθισµάτων φτάσει την βαλβίδα µερικών µυϊκών ινών, η σύσπαση τους θα προκαλέσει βράχυνση του µυός. Με την αύξηση της τάσεως του ερεθίσµατος θα φτάσει µία στιγµή που το ερέθισµα θα γίνει βαλβιδικό για όλες τις µυϊκές ίνες του µυός και τότε ο µυς θα συσπαστεί µε την µεγαλύτερη ένταση που µπορεί να επιτύχει. Η συστολή αυτή θα είναι η µέγιστη συστολή και το ερέθισµα που την προκάλεσε θα είναι µέγιστο για τον µυ αυτό. β. Επίδραση της διάτασης στην ένταση της συστολής -Καταγράφουµε συστολές που προκαλούνται από το ίδιο ερέθισµα -Εφαρµόζουµε στο µυ φορτίο -Καταγράφουµε µία σειρά από συστολές µε διαφορετικό κάθε φορά φορτίο. 24

Το επίπεδο απ' όπου αρχίζει η συστολή, µεταβάλλεται, εφ' όσον η φόρτιση του µυ γίνεται µεγαλύτερη (αυτό οφείλεται στην ελαστική διάταση του µυ από το βάρος που αναρτούµε). Το ύψος της συστολής παραµένει το ίδιο ή αυξάνει, γιατί η δύναµη της συστολής γίνεται µεγαλύτερη εφ' όσον αυξάνει η διάταση του µυός. Το έργο που επιτελεί ο µυς αυξάνεται. 25

Άσκηση 2. Καταγραφή µυογραφήµατος µε άθροιση συστολών -Τετανική συστολή Ο όρος άθροιση σηµαίνει συσσώρευση ξεχωριστών µυϊκών συστολών. Η άθροιση πραγµατοποιείται, όταν η συχνότητα των µυϊκών συστολών αυξηθεί τόσο, ώστε η προηγούµενη µυϊκή συστολή δεν έχει ολοκληρωθεί όταν αρχίζει η επόµενη. Όταν αυξάνει η συχνότητα των συστολών αυξάνει και ο βαθµός της άθροισης και τελικά οι διαδοχικές συστολές συγχωνεύονται, έτσι ώστε δεν είναι δυνατή η µεταξύ τους διάκριση. Η κατάσταση αυτή λέγεται τέτανος (σχήµα 5). Σχήµα 5. Άθροιση συστολών και τετανική σύσπαση. Πειραµατική διαδικασία - ιεγείρουµε τον µυ µε επαναληπτικά ερεθίσµατα. Παρατηρούµε ότι στις µικρές συχνότητες κάθε ερέθισµα προκαλεί µία ξεχωριστή σύσπαση που ακολουθείται από µια περίοδο χάλασης του µυός. -Αυξάνουµε βαθµιαία τη συχνότητα των ερεθισµάτων. Φτάνουµε σε ένα σηµείο που ο µυς δεν προλαβαίνει να χαλαρώσει τελείως στο µεσοδιάστηµα των συστολών και εποµένως προκαλείται µερική άθροιση των συστολών -Αυξάνουµε περισσότερο τη συχνότητα των ερεθισµάτων. Ο µυς βρίσκεται τελικά σε συνεχή συστολή (τέτανος). Σε χαµηλή συχνότητα ερεθισµού η ένταση συστολής µπορεί να χαµηλώνει µεταξύ ερεθισµάτων παράγοντας ατελή τέτανο. Σε υψηλή συχνότητα ερεθισµάτων παράγεται πλήρης τέτανος, δηλαδή συνεχής σύσπαση χωρίς ταλαντώσεις. -Η τάση του µυ αυξάνεται µέχρι να φτάσει στη µέγιστη τετανική τάση, πέρα από την οποία δεν αυξάνεται πλέον. 26

Άσκηση 3. Μυϊκός κάµατος Μυϊκός κάµατος είναι η αδυναµία διατηρήσεως της ισχύος σύσπασης (σχήµα 6) και οφείλεται: 1) στην άθροιση ιόντων Κ+, που οδηγεί σε µερική εκπόλωση της µεµβράνης, αδυναµία µετάδοσης του δυναµικού ενεργείας και κατά συνέπεια αδυναµία απελευθερώσης ασβεστίου 2) στην αύξηση της πυκνότητας του γαλακτικού οξέος, που προκαλεί ενδοκυττάρια οξέωση 3) στην εξάντληση του ATP, εξαιτίας της ελάττωσης των αποθεµάτων γλυκογόνου 4) στη µείωση των κυστιδίων ακετυλοχολίνης που ελευθερώνονται στη νευροµυϊκή σύναψη. Σχήµα 6. Μυϊκός κάµατος. Πειραµατική διαδικασία -Αναρτούµε το µυ και τον φορτίζουµε µέτρια. -Καθορίζουµε την τάση του ερεθίσµατος, έτσι ώστε να παράγει µέτριας έντασης συστολή. -Ρυθµίζουµε τη συχνότητα του διεγέρτη στο ένα ερέθισµα το δευτερόλεπτο. -Καταγράφουµε σειρά συστολών µέχρι να επέλθει σχεδόν πλήρης κάµατος του µυ. -Αφήνουµε το µυ να ξεκουραστεί. -Εφαρµόζουµε και πάλι ερέθισµα. 27

ΗΛΕΚΤΡΟΕΓΚΕΦΑΛΟΓΡΑΦΗΜΑ Ιστορικά στοιχεία Οι πρώτοι ερευνητές που διαπίστωσαν µε τη βοήθεια γαλβανόµετρου την ύπαρξη ηλεκτρικής δραστηριότητας στον εγκέφαλο κουνελιών ήταν ο Άγγλος βιολόγος Caton το 1897 και ανεξάρτητα από αυτόν, ο Πολωνός Beck το 1890. Μετά από 50 χρόνια ο Γερµανός ψυχίατρος Η. Berger, κατέγραψε το 1924 εγκεφαλικούς ρυθµούς στη δερµατική επιφάνεια οστικού ελλείµµατος ενός ασθενή, που είχε υποβληθεί σε κρανιoανάτρηση. Την ηλεκτρική αυτή δραστηριότητα την ονόµασε ηλεκτροεγκεφαλογράφηµα (ΗΕΓ) και τους βασικούς ρυθµούς που κατέγραψε τους χαρακτήρισε άλφα (α) και βήτα (β). Τα ευρήµατα του Berger επιβεβαιώθηκαν από τους Adrian & Matthews το 1934 και τον επόµενο χρόνο άρχισε η κατασκευή των πρώτων αξιόλογων µηχανηµάτων καταγραφής µε µελάνη. Τεχνική και µεθοδολογία της ηλεκτροεγκεφαλογραφικής καταγραφής Το µηχάνηµα που χρησιµοποιείται για τη λήψη του ΗΕΓ ονοµάζεται ηλεκτροεγκεφαλογράφος και µετρά τη διαφορά δυναµικού µεταξύ δύο σηµείων στο τριχωτό της κεφαλής. Η διαφορά αυτή δυναµικού ενισχύεται και τελικά αποτυπώνεται (καταγράφεται) σε χαρτί η σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Σχήµα 1 ηλεκτρονικός υπολογιστής εκτυπωτής Η ανίχνευση της διαφοράς δυναµικού µεταξύ των διαφόρων σηµείων του τριχωτού της κεφαλής γίνεται µε ηλεκτρόδια. 28

Σχήµα 2 Ενισχυτής Καταγραφή δεξιά αριστερά Η τοποθέτηση των ηλεκτροδίων επιφανείας, που ο αριθµός τους φτάνει τα 20 έως 22 µαζί µε την γείωση, γίνεται σύµφωνα µε το διεθνές σύστηµα 10-20, το οποίο πρότεινε ο Jasper το 1958 και υιοθέτησε η Παγκόσµια Οµοσπονδία Ηλεκτροεγκεφαλογραφίας και Κλινικής Νευροφυσιολογίας (Σχήµα 3). Με τον τρόπο αυτόν πετυχαίνουµε την τοποθέτηση των ηλεκτροδίων σε σταθερά σηµεία και σε ίση απόσταση. Σχήµα 3 29

Ρυθµοί που καταγράφονται στο ΗΕΓ ΡΥΘΜΟΣ άλφα (α) Ο ρυθµός α (Σχήµα 4) έχει συχνότητα 8-13 Ηz και καταγράφεται στις οπίσθιες κυρίως απαγωγές στους ενήλικες που είναι σε ήρεµη εγρήγορση µε τα µάτια κλειστά. Το ύψος του α ρυθµού είναι συνήθως 50 µv και παρουσιάζει συχνά διακυµάνσεις µε συχνότητα ενός περίπου δευτερολέπτου ή και περισσότερο. Σχήµα 4 1 sec Ρυθµός α : 8-13 Hz. Το ύψος του ρυθµού α ποικίλει από 5-100µV (συνήθως 50 µv). Καταγράφεται κατά την εγρήγορση, όταν ο εξεταζόµενος έχει τα µάτια κλειστά. Το ύψος του ρυθµού α ελαττώνεται όταν ο εξεταζόµενος ανοίγει τα µάτια ή καταβάλλει κάποια διανοητική προσπάθεια. Ρυθµός β : >13 Hz. Το ύψος του ρυθµού β ποικίλει, συνήθως είναι <35 µv Σχήµα 5 χρόνος Κινήσεις οφθαλµών Θέση ηλεκτροδίων Ρυθµός α Ρυθµός β Η διάνοιξη των οφθαλµών προκαλεί ελάττωση του ύψους του α ρυθµού (αντίδραση αποκλεισµού, Σχήµα 5). Ελάττωση του ύψους του α ρυθµού προκαλεί επίσης η διανοητική προσπάθεια. 30

ΡΥΘΜΟΣ βήτα (β) (Σχήµα 4) Αν και ρυθµοί µε συχνότητα >13 Ηz έως 35 Ηz αποτελούν συχνό εύρηµα στην ΗΕΓφική καταγραφή, στο 90% των περιπτώσεων έχουν ύψος περίπου 20 µv και για τον λόγο αυτό δύσκολα ανιχνεύονται. Συνήθως καταγράφονται στις πρόσθιες απαγωγές, γιατί στις οπίσθιες επικαλύπτονται από την α δραστηριότητα που έχει υψηλότερο δυναµικό. Για τον λόγο αυτό η β δραστηριότητα καταγράφεται καλύτερα όταν ο εξεταζόµενος έχει τα µάτια ανοιχτά. ΡΥΘΜΟΣ θήτα (θ) (Σχήµα 6) Παρουσιάζει συχνότητα 4-8 Ηz. Φυσιολογικά στην εγρήγορση σε νεαρούς ενήλικες µαζί µε τη βασική α δραστηριότητα µπορεί να καταγράφεται και θ δραστηριότητα µε συχνότητα 6-7 Ηz. Εκτός ύπνου η παρουσία εξεσηµασµένης θ δραστηριότητας θεωρείται παθολογική. ΡΥΘΜΟΣ δέλτα (δ) (Σχήµα 6) Έχει συχνότητα <4 Ηz και εκτός του ύπνου, όταν καταγράφεται είναι πάντοτε παθολογικός. Σχήµα 6 1 sec Ρυθµός θ : 4-7 Hz Ρυθµός δ : : < 4 Hz Οι ρυθµοί αυτοί φυσιολογικά καταγράφονται στον ύπνο Τι καταγράφει το ΗΕΓ ; Οι διακυµάνσεις του δυναµικού της µεµβράνης και το ΗΕΓ Τα κύτταρα του νευρικού συστήµατος διακρίνονται σε κύτταρα της γλοίας και σε νευρώνες. Τα περισσότερα από τα νευρικά κύτταρα έχουν πολλούς δενδρίτες και δέχονται πληροφορίες από πολλά άλλα νευρικά κύτταρα (για παράδειγµα το κύτταρο Purkinje της παρεγκεφαλίδας δέχεται περίπου 150.000 συνάψεις). Όλες οι πληροφορίες στο νευρικό σύστηµα µεταδίδονται µε διακυµάνσεις του δυναµικού της µεµβράνης του νευρικού κυττάρου. Οι διακυµάνσεις αυτές µπορεί να είναι δυναµικά ενεργείας ή συναπτικά δυναµικά. 31

Σε κατάσταση ηρεµίας το δυναµικό της µεµβράνης του νευρικού κυττάρου είναι -40 έως -90 mv. Όταν το αρνητικό φορτίο στο εσωτερικό του νευρικού κυττάρου αυξάνεται τότε µιλάµε για υπερπόλωση, ενώ όταν ελαττώνεται για εκπόλωση. Οι νευρώνες επικοινωνούν µεταξύ τους µε την δηµιουργία δυναµικών ενεργείας που µεταδίδονται κατά µήκος του νευράξονα (Σχήµα 7). Σχήµα 7 ρεύµα ενισχυτής ρεύµα γείωση Ηλεκτρόδιο Ηλεκτρόδιο καταγραφής υναµικό µεµβράνης υναµικά ενεργείας χρόνος Η εκπόλωση δηµιουργείται µε την µαζική είσοδο ιόντων νατρίου στο εσωτερικό του κυττάρου µέσω τασεο-εξαρτώµενων διαύλων νατρίου, και η επαναπόλωση µε την έξοδο ιόντων καλίου από το εσωτερικό του κυττάρου. Οποιαδήποτε κατάσταση µπορεί να προκαλέσει ελάττωση του δυναµικού της µεµβράνης του νευρικού κυττάρου µπορεί να προκαλέσει δυναµικό ενεργείας. Τα συναπτικά δυναµικά αποτελούν µεταβολές του δυναµικού της µεµβράνης στην περιοχή των συνάψεων. ιακρίνονται σε διεγερτικά µετασυναπτικά δυναµικά (excitatory postsynaptic potential-epsp, Σχήµα 7) µε σύνηθες µέγεθος 5mV, τα οποία δεν µπορούν να προκαλέσουν δυναµικό ενεργείας και σε ανασταλτικά µετασυναπτικά δυναµικά (inhibitory postsynaptic potential-ipsp, Σχήµα 8) που προκαλούν υπερπόλωση της µεµβράνης του κυττάρου. Τόσο τα διεγερτικά όσο και τα ανασταλτικά µετασυναπτικά δυναµικά µπορούν να αθροιστούν στο χώρο και στο χρόνο. 32

Σχήµα 7 άξονας Τελική νευρική απόληξη Μετασυναπτικός δενδρίτης Μόρια νευροδιαβιβαστή καταγραφή ιεγερτικό µετασυναπτικό δυναµικό ίαυλοι ιόντων χρόνος Η αρχική άποψη ότι οι εγκεφαλικοί ρυθµοί που καταγράφονται στο ΗΕΓ προέρχονται από τα δυναµικά ενεργείας των νευρώνων του φλοιού εγκαταλείφθηκε µετά τη διαπίστωση ότι τα κύµατα του ΗΕΓ αποτελούσαν πολύ βραδύτερα φαινόµενα από τα δυναµικά ενεργείας (διάρκεια 0.5-1ms). Ο Humphrey (1968) έδειξε ότι η ταχύτατη εξέλιξη του δυναµικού ενεργείας οδηγεί στην ισόχρονη κατάληψη ολόκληρης της µεµβράνης µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία αυστηρά εντοπισµένων ηλεκτρικών πεδίων, που δεν γίνονται αντιληπτά στην επιφάνεια του φλοιού. Ήδη από το 1949 ο Bremer υποστήριζε ότι τα δυναµικά του φλοιού αποτελούν µετασυναπτικά φαινόµενα που υπόκεινται σε διαβαθµίσεις και αργότερα το 1958 ο ίδιος ερευνητής καθώς και ο Purpura (1958, 1959) απέδωσαν την ηλεκτροεγκεφαλογραφική δραστηριότητα στην άθροιση µετασυναπτικών δυναµικών. Η άποψη αυτή τεκµηριώθηκε µε σύγχρονες ενδοκυττάριες καταγραφές (Σχήµα 9). 33

Σχήµα 9 Ενδοκυττάρια καταγραφή Εξωκυττάρια καταγραφή Το ΗΕΓ λοιπόν, όπως καταγράφεται µε ηλεκτρόδια που τοποθετούνται στο τριχωτό της κεφαλής, καταγράφει µεταβολές του δυναµικού της µεµβράνης ενός µεγάλου αριθµού των νευρώνων του φλοιού. Επειδή το ΗΕΓ είναι εξωκυττάρια καταγραφή, οι διαφορές δυναµικού που καταγράφει αντιπροσωπεύουν µεταβολές του δυναµικού στον εξωκυττάριο χώρο οι οποίες οφείλονται σε µεταβολές του δυναµικού της µεµβράνης των νευρώνων. Για παράδειγµα (Σχήµα 10), όταν σε µια περιοχή της µεµβράνης δηµιουργείται ένα διεγερτικό µετασυναπτικό δυναµικό, τότε θετικά ιόντα εισέρχονται στην µετασυναπτική περιοχή µε αποτέλεσµα την υπεροχή τον ανιόντων στην εξωκυττάρια περιοχή. Η ροή αυτή ιόντων δηµιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο µε τον αρνητικό του πόλο στην συναπτική περιοχή και θετικό πόλο στην γύρω εξωκυττάρια περιοχή. Στην περίπτωση δηµιουργίας ανασταλτικού µετασυναπτικού δυναµικού, παραπλήσια φαινόµενα λαµβάνουν χώρα, µόνο που το ηλεκτρικό πεδίο που δηµιουργείται έχει αντίθετη πολικότητα. Παρόµοια φαινόµενα δηµιουργούνται βέβαια και κατά τη διάρκεια ενός δυναµικού ενεργείας, αλλά η είναι σύντοµης διάρκειας (1 ms) σε αντίθεση µε τη διάρκεια των συναπτικών δυναµικών (10ms) και ως εκ τούτου, όπως ήδη ειπώθηκε, τα δυναµικά ενεργείας δεν φαίνεται να συµµετέχουν στην δηµιουργία των ρυθµών που καταγράφονται στο ΗΕΓ. 34

Σχήµα10 Ενισχυτής ΗΕΓ Ηλεκτρόδιο ΗΕΓ στοιβάδες νευράξονας Πυραµιδικό κύτταρο Σύναψη Προσαγωγός ν.ινα Απαγωγός Ο ρόλος των διαφόρων κυτταρικών τύπων νευρώνων στο ΗΕΓ Βασικά υπάρχουν τρεις τύποι κυττάρων στον φλοιό Τα πυραµιδικά, τα αστεροειδήκαι τα ατρακτοειδή. Τα κύτταρα που φαίνεται να είναι κυρίως υπεύθυνα για τη δηµιουργία των δυναµικών που καταγράφονται στο ΗΕΓ είναι τα πυραµιδικά κύτταρα που είναι τοποθετηµένα κάθετα στον φλοιό, τα σώµατα τους βρίσκονται στη στοιβάδα ΙΙΙ, Ι V ή ακόµη και V ενώ οι δενδρίτες τους εκτείνονται µέχρι την στοιβάδα Ι. Οι δενδρίτες των πυραµιδικών κυττάρων δέχονται πολλές προσαγωγές ίνες και έτσι µπορούν να δηµιουργηθούν συναπτικά δυναµικά και ηλεκτρικά πεδία που καταγράφονται στο ΗΕΓ. Οι ρυθµοί στο ΗΕΓ Όπως ήδη περιγράψαµε οι νευρώνες του φλοιού µπορούν να δηµιουργήσουν δυναµικά που καταγράφονται στο ΗΕΓ. Πως δηµιουργούνται οι ρυθµικές µεταβολές όµως του δυναµικού; Υπάρχει κάποιος «βηµατοδότης» που οδηγεί τους νευρώνες του φλοιού; Γενικά ρυθµοί δηµιουργούνται είτε µε τον συντονισµό των νευρώνων ή µε την καθοδήγηση τους από ένα βηµατοδότη (Σχήµα 11) Οι Andersen & Andersson το 1968 ανέπτυξαν την θεωρία για τον ρόλο του θαλάµου ως βηµατοδότη (Σχήµα 12) και την δηµιουργία των ρυθµών που καταγράφονται στο ΗΕΓ. 35

Σχήµα 11 Σχήµα 12 Σωµατοαισθητικός φλοιός θάλαµος Με βάση τη θεωρία τους, η ρυθµικότητα στο ΗΕΓ βασίζεται σε έναν απλό µηχανισµό. Η διέγερση ενός θαλαµικού νευρώνα (α) προκαλεί (µέσω ενός ανασταλτικού ενδιάµεσου νευρώνα) την αναστολή ενός παρακείµενου θαλαµικού νευρώνα (β). Κατά την διάρκεια της αναστολής του νευρώνα (β) πολλοί παρακείµενοι θαλαµικοί νευρώνες διεγείρονται και ο κύκλος επαναλαµβάνεται (Σχήµα 13). 36

Σχήµα 13 διεγερτική προσαγωγός οδός α θαλαµικός νευρώνας β θαλαµικός νευρώνας Ένας κύκλος Επίπεδο διέγερσης α νευρώνα Επίπεδο διέγερσης α νευρώνα Η ρυθµικότητα αυτή στη διέγερση των νευρώνων του θαλάµου προβάλει στον φλοιό µέσω της θαλαµοφλοιϊκής οδού (Σχήµα 14). Σχήµα 14 ΦΛΟΙΟΣ Απαγωγός οδός β νευρώνας α νευρώνας ΘΑΛΑΜΟΣ Προσαγωγός οδός Ο ρυθµός α, καθώς και οι άτρακτοι των βαρβιτουρικών, µπορούν να εξηγηθούν µε βάση τον µηχανισµό αυτό. Ο ανιών δικτυωτός σχηµατισµός επηρεάζει τη δραστηριότητα του θαλάµου και ως εκ τούτου επηρεάζει και τους ρυθµούς που καταγράφονται στο ΗΕΓ. Σύµφωνα µε µερικούς επιστήµονες φαίνεται ότι και οι φλοιο-φλοιϊκές συνδέσεις φαίνεται να παίζουν ρόλο στην δηµιουργία των ρυθµών. 37

ΥΠΝΟΣ Ο ύπνος αποτελεί µια αντιστρεπτή κατάσταση ελαττωµένης ανταποκρισιµότητας προς τα ερεθίσµατα του περιβάλλοντος. Υπάρχουν τρεις λειτουργικές καταστάσεις του εγκεφάλου, η εγρήγορση, ο ύπνος NON-REM και ο ύπνος REM. εγρήγορση Στάδιο 1 Λειτουργικές καταστάσεις του εγκεφάλου ύπνος NON-REM Στάδιο 2 Στάδιο 3 Ύπνος βραδέων κυµάτων Στάδιο 4 ύπνος REM Πίνακας 1 Χαρακτηριστικά των τριών λειτουργικών καταστάσεων του εγκεφάλου ΗΕΓ ΕΓΡΗΓΟΡΣΗ ΥΠΝΟΣ NON-REM ΥΠΝΟΣ REM Χαµηλού δυναµικού, Υψηλού δυναµικού, Χαµηλού δυναµικού, αυξηµένης συχνότητας χαµηλής συχνότητας αυξηµένης συχνότητας ΑΙΣΘΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Ενεργής, δηµιουργείται Σχεδόν απούσα ηµιουργείται από από εξωτερικά εσωτερικά ερεθίσµατα ερεθίσµατα ΣΚΕΨΗ Λογική & δοµηµένη Λογική Περίεργη ΚΙΝΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Συνεχής, εκκούσια Περιστασιακή, ακούσια Μυϊκή παράλυση ΚΙΝΗΣΕΙΣ ΜΑΤΙΩΝ Συχνές Σπάνιες Συχνές 38

Εγρήγορση Σχήµα 1: Εγρήγορση ΗΕΓ ΗΟΓ ΗΜΓ ΗΕΓ : ηλεκτροεγκεφαλογράφηµα ΗΟΓ : ηλεκτροφθαλµογράφηµα ΗΜΓ: ηλεκτροµυογράφηµα Υπνος non-rem Στάδιο 1 Η µετάβαση από τα γρήγορα και χαµηλής τάσης κύµατα β στο ΗΕΓ, στα περισσότερο οµαλά κύµατα α, γίνεται όταν τα υποκείµενα µειώνουν την ένταση τους κλείνουν τα Σχήµα 2 : Στάδιο 1 του ύπνου ΗΕΓ ΗΟΓ ΗΜΓ 39

µάτια τους και ηρεµούν. Η κατάσταση αυτή της ήρεµης εγρήγορσης που συνοδεύεται από την προσδοκία ύπνου, µπορεί να συνεχιστεί για 1 ή 2 λεπτά σε ανθρώπους που είναι εξαιρετικά κουρασµένοι, ενώ σε εκείνους που δυσκολεύονται να κοιµηθούν µπορεί να παραταθεί για µία ή και περισσότερες ώρες. Στις περισσότερες περιπτώσεις η µεταβολή η οποία παρατηρείται στα εγκεφαλικά κύµατα του υποκειµένου που περνά από την κατάσταση της ήρεµης εγρήγορσης στην κατάσταση του ύπνου είναι βαθµιαία και µπορεί να διαρκέσει αρκετά λεπτά. Εφόσον οι συνθήκες επιτρέψουν την οµαλή και ανενόχλητη συνέχιση της διαδικασίας, η έντονη δραστηριότητα των κυµάτων α θα αντικατασταθεί σταδιακά από περισσότερα αραιά κύµατα θ που θα κυµαίνονται σε συχνότητα 4-7 Hz και µε ύψος όµοιο µε εκείνο των κυµάτων α. Η µεταβολή αυτή από την κατάσταση των κυµάτων α σε αυτή των κυµάτων θ µπορεί να διαρκέσει αρκετά λεπτά. Στο στάδιο 1 ελαττώνεται ο µυϊκός τόνος, ελαττώνεται ο ρυθµός της αναπνοής και οι κινήσεις των µατιών γίνονται κατά πλάτος, αργές, επαναλαµβανόµενες και κάθετες. Αν ρωτούσαµε µια οµάδα ατόµων, που βρίσκονται σε σταθερή κατάσταση συνεχούς δραστηριότητας κυµάτων θ, αν κοιµούνται το 50% θα απαντούσε θετικά και το 50% αρνητικά. Πολλοί άνθρωποι έχουν τη δυνατότητα να διατηρούν σταθερή προσοχή και να ανταποκρίνονται άµεσα στο περιβάλλον τους ακόµη και όταν η ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου βρίσκεται στο επίπεδο των κυµάτων θ. Στάδιο 2 Στο ΗΕΓ εµφανίζονται τα συµπλέγµατα Κ και οι άτρακτοι του ύπνου. Το σύµπλεγµα Κ είναι ένα κύµα µεγάλου εύρους (περίπου Χ4 φορές του παρασκηνιακού ρυθµού θ). Η άτρακτος του ύπνου είναι ηλεκτρική δραστηριότητα µε συχνότητα 12-14 Hz και Σχήµα 3 : Στάδιο 2 του ύπνου ΗΕΓ ΗΟΓ ΗΜΓ 40

εύρος όµοιο µε των κυµάτων θ. Η εµφάνιση του συµπλέγµατος Κ και της ατράκτους του ύπνου, διαρκεί από 0,5-1 δευτερόλεπτο. Αν ρωτούσαµε µια οµάδα ατόµων, από τη στιγµή που εµφανίζονται τα συµπλέγµατα Κ & οι άτρακτοι του ύπνου, αν κοιµούνται το 80-100 % θα απαντούσε θετικά. Το υποκείµενο µπορεί όµως να ξυπνήσει εύκολα από το 2 ο στάδιο του ύπνου. Στάδιο 3 και 4. Υπνος βραδέων κυµάτων 10-15 λεπτά µετά την εµφάνιση των συµπλεγµάτων Κ και των ατράκτων ύπνου εµφανίζονται υψηλού δυναµικού κύµατα δ. Όταν στο ΗΕΓ καταγράφονται <50% κύµατα δ, πρόκειται για το στάδιο 3 του ύπνου, ενώ όταν στο ΗΕΓ καταγράφονται κυρίως κύµατα δ, πρόκειται για το στάδιο 4 του ύπνου. Στο 4 ο στάδιο του ύπνου δύσκολα ανιχνεύονται συµπλέγµατα Κ και άτρακτοι ύπνου. Σχήµα 4 : Στάδιο 4 του ύπνου Ύπνος βραδέων κυµάτων (στάδιο 4) ΗΕΓ ΗΟΓ ΗΜΓ Εάν ο ύπνος συνεχιστεί χωρίς ενοχλήσεις, το 4 ο στάδιο θα διαρκέσει 30-40 λεπτά και στη συνέχεια θα εµφανιστεί ο ρυθµός θ, τα συµπλέγµατα Κ και οι άτρακτοι ύπνου (στάδιο 2). Το υποκείµενο είναι εξαιρετικά δύσκολο να ξυπνήσει. 41

Υπνος REM Εµφανίζεται 90 περίπου λεπτά αφότου αποκοιµηθεί το υποκείµενο και διαρκεί 5-10 λεπτά. Το ΗΕΓ χαρακτηρίζεται από ρυθµό θ και σύντοµες εκρήξεις α δραστηριότητας. Χαρακτηρίζεται επίσης από τις γρήγορες κινήσεις των µατιών και την απουσία µυϊκού τόνου. Επίσης παρατηρείται αρρυθµία του καρδιακού και αναπνευστικού ρυθµού και στους άνδρες στύση. Στο στάδιο αυτό του ύπνου εµφανίζονται τα όνειρα. Σχήµα 5 : Στάδιο REM του ύπνου ΗΕΓ ΗΟΓ ΗΜΓ 42

Ο ΡΥΘΜΟΣ ΤΟΥ ΥΠΝΟΥ Η εµφάνιση των σταδίων του ύπνου κατά τη διάρκεια της νύχτας δεν είναι µια τυχαία διαδικασία. Αντίθετα είναι οργανωµένη και συγκεκριµένη. Εγρήγορση (Λίγα λεπτά) Στάδιο 1 (2-5 λεπτά) Στάδιο 2 (10 λεπτά) Στάδιο 3(µικρή διάρκεια) Στάδιο 4 (30-40 λεπτά) Κινήσεις σώµατος Στάδιο 3 5 λεπτά Στάδιο 2 Κινήσεις σώµατος Στάδιο REM ιαρκεί 5-10 λεπτά και ολοκληρώνεται µε εµφανείς σωµατικές κινήσεις Επόµενος κύκλος (Σχήµα 6) Υπάρχουν αρκετές διαφορές ανάµεσα στον 1 ο και 2 ο κύκλο ύπνου, οι οποίες ανιχνεύονται και στους κύκλους που ακολουθούν. Η διάρκεια του ύπνου των βραδέων κυµάτων ελαττώνεται, αυξάνεται η διάρκεια του ύπνου του σταδίου 2 και αυτό συνεχίζεται στους επόµενους κύκλους ύπνου. Η διάρκεια του ύπνου REM αυξάνεται και θα διαρκέσει 12-15 λεπτά. Στον 3 ο και 4 ο κύκλο ύπνου η διάρκεια είναι 20-25 λεπτά. 43

Ο πρώτος κύκλος ύπνου, ο οποίος διαρκεί από τη στιγµή που το υποκείµενο θα κοιµηθεί µέχρι την εµφάνιση της πρώτης περιόδου REM, ονοµάζεται λανθάνουσα περίοδος REM, και διαρκεί περίπου 90 λεπτά. Κάθε κύκλος ύπνου διαρκεί 90 λεπτά, συνεπώς σε κάθε νύχτα ο αριθµός τους εξαρτάται από τη διάρκεια του ύπνου. Ο ύπνος ενός νέου ανθρώπου περιέχει Σχήµα 6 : υπνόγραµµα νεαρού ενήλικα συνήθως 4-5 κύκλους, ενώ ο ύπνος ενός ηλικιωµένου περιέχει λιγότερους. Ο ΥΠΝΟΣ ΑΠΟ ΤΗ ΒΡΕΦΙΚΗ ΗΛΙΚΙΑ ΜΕΧΡΙ ΤΑ ΓΗΡΑΤΕΙΑ Στα βρέφη διακρίνουµε 2 τύπους ύπνου. Τον δραστήριο ύπνο που µοιάζει µε τον ύπνο REM των ενηλίκων αλλά περιλαµβάνει έντονες κινήσεις (µυών προσώπου, χεριών, ποδιών, εκφράσεις θυµού, κλάµα, χαµόγελο). Στο ΗΕΓ καταγράφεται ρυθµός θ. Οι ανασταλτικοί µηχανισµοί του εγκεφάλου, που εµποδίζουν την µετάδοση των νευρικών ερεθισµάτων προς τους σκελετικούς µυς δεν έχουν διαµορφωθεί από τη γέννηση, αλλά θα ωριµάσουν κατά το 1 ο έτος ζωής. Το δεύτερο είδος ύπνου είναι ήρεµο και γαλήνιο. Τις πρώτες µέρες ή εβδοµάδες ζωής δεν µπορούµε να διακρίνουµε στον ύπνο του ανεπτυγµένα κύµατα δ ή ατράκτους ύπνου, αλλά η ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου είναι άτακτη και ανοργάνωτη. Από τον γαλήνιο µη δραστήριο αυτό ύπνο θα προκύψουν τα στάδια 2, 3 & 4 του ύπνου. 44

Τις πρώτες εβδοµάδες της ζωής του βρέφους το 50 % του ύπνου του είναι δραστήριος ύπνος. Το ποσοστό του προοδευτικά ελαττώνεται και στο τέλος του πρώτου χρόνου θα σταθεροποιηθεί στο 25-30%. Ο ρυθµός επίσης του βρεφικού ύπνου είναι ταχύτερος και διαρκεί 60 λεπτά αντί για 90 που διαρκεί στους ενήλικες. Ο ρυθµός του ύπνου σταθεροποιείται στο διάστηµα 10-20 ετών οπότε και διαχωρίζονται τα στάδια του ύπνου : 20-25% ύπνος REM 20-25 % ύπνος βραδέων κυµάτων 50-60% ύπνος σταδίου 2 Σχήµα 7 : ο ρυθµός του ύπνου Στο γήρας µειώνεται η διάρκεια του ύπνου των βραδέων κυµάτων (5-10% σε ηλικιωµένους 70-80 ετών) αυξάνονται οι αφυπνίσεις ο ύπνος των ηλικιωµένων ουσιαστικά αποτελείται από ύπνο REM και ύπνο σταδίου 2. 45

ΝΕΥΡΩΝΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΤΟΥ ΥΠΝΟΥ Οι µηχανισµοί που ρυθµίζουν την εγρήγορση και τον ύπνο είναι τµήµατα των διάχυτων νευροδιαβιβαστικών συστηµάτων. Κατά την εγρήγορση δραστηριοποιούνται οι αδρενεργικοί και σεροτονινεργικοί νευρώνες του στελέχους που προάγουν την εγρήγορση. Επίσης συµµετέχουν και Σχήµα 8 : Αδρενεργικό σύστηµα Φλοιός Θάλαµος Υποθάλαµος Κροταφικός λοβός Μέλας τόπος Παρεγκεφαλίδα Νωτιαίος µυελός χολινεργικοί νευρώνες οι οποίοι είναι διαφορετικοί από αυτούς που συµµετέχουν στον ύπνο REM. 46

Σχήµα 9: Σεροτονινεργικό σύστηµα Φλοιός Βασικά γάγγλια Θάλαµος Υποθάλαµος Κροταφικός λοβός Πυρήνες της ραφής Παρεγκεφαλίδα Νωτιαίος µυελός Σχήµα 10 : Χολινεργικό σύστηµα Φλοιός Θάλαµος Μέσος διαφραγµατικός πυρήνας Βασικός πυρήνας του Meynert Ιππόκαµπος Γιγαντοκυτταρικός πυρήνας Τα διάχυτα νευροδιαβιβαστικά συστήµατα ρυθµίζουν την ηλεκτρική δραστηριότητα του θαλάµου που µε την σειρά του επηρεάζει τους ρυθµούς του φλοιού, που καταγράφονται στο ΗΕΓ. 47

Σχήµα 11 : Η ακετυλοχολίνη (Ach) και η νοραδρεναλίνη (ΝΕ) επηρεάζουν την ρυθµική δραστηριότητα του θαλάµου και του φλοιού (α) (β) Η Ach µεταβάλλει τον τρόπο διέγερσης του κυττάρου του θαλάµου : Από (α) οµάδα δυναµικών ενεργείας σε (β) ένα µόνο δυναµικό ενεργείας Αυτό µπορεί να συµβαίνει για παράδειγµα κατά την µετάβαση από το Στάδιο Non-REM του ύπνου στην εγρήγορση Στον ύπνο εµπλέκεται επίσης η ενεργοποίηση νευρωνικών συστηµάτων που αναστέλλουν την κινητικότητα κατά τη διάρκεια του σταδίου REM. Η µετάβαση από την εγρήγορση στον ύπνο µη- REM περιλαµβάνει την σταδιακή ελάττωση της δραστηριότητας των αδρενεργικών, σεροτονινεργικών και χολινεργικών νευρώνων. Ο ύπνος REM συνδέεται µε την ενεργοποίηση χολινεργικών νευρώνων της γέφυρας. 48