Potencjał czynnościowy

1. Potencjał czynnościowy Potencjał czynnościowy polega na krótkotrwałej depolaryzacji błony komórkowej. Wczesne doświadczenia (K.C. Cole i H. J. Curtis, 1939) pokazały, że błona komórkowa staje się spolaryzowana dodatnio (ok. +50 mV) podczas maksimum potencjału czynnościowego.Gdyby powodował go jedynie chwilowy wzrost przepuszczalności dla wszystkich jonów, błona osiągnęła by 0 mV, lecz nie więcej. Obiektem do badań potencjału czynnościowego był akson Kalmara Atlantyckiego Kalmar Atlantycki Loligo pealei

2. Potencjał czynnościowy – impuls sodowy Zależność potencjału czynnościowego od stężenia sodu. A i B: Maksimum potencjału czynnościowego maleje wraz maleniem stężenia Na w płynie zewnątrzkomórkowym. Silna zależność wartości maksimum od stężenia Na wskazuje na duża przepuszczalność błony dla tych jonów w trakcie impulsu. Alan Hodgkin i Bernard Katz odkryli, że amplituda potencjału czynnościowego zależy od koncentracji Na+ na zewnątrz komórki. Postawili hipotezę, że chwilowa zmiana przepuszczalności i wpływ jonów Na+ do wnętrza komórki zgodnie z gradientem stężeń, powoduje potencjał czynnościowy. Potwierdzeniem tej hipotezy była obserwacja, że maksimum potencjału czynnościowego wynosi +55mV, co jest bliskie wartości potencjału równowagi dla sodu. Ich eksperymenty wskazały również, że zanik potencjału czynnościowego może być związany ze wzrostem przepuszczalności dla jonów K+ i ich wypływem z komórki.

3. Potencjał czynnościowy – wszystko albo nic! wzrost gNa depolaryza-cja błony napływ Na+ ‘Wybuchowa’ natura impulsu jest związana z kanałami sodowymi o przepuszczalności zależnej od napięcia i sprzężeniem zwrotnym dodatnim z depolaryzacją błony.

4. Skąd się bierze próg? Depolaryzacja podprogowa jest kompensowana pasywnym wypływem jonów potasu i nie wywołuje potencjału czynnościowego. Jeśli wypływ jonów potasu nie może zrównoważyć wpływu jonów sodu, błona osiąga próg na generację impulsu i generowany jest potencjał czynnościowy.

5. Okresy refrakcji Po wystąpieniu potencjału czynnościowego występuje okres refrakcji. W fazie refrakcji absolutnej komórka nie może wygenerować kolejnego impulsu bez względu na pobudzenie. W fazie refrakcji względnej, komórka może wygenerować impuls ale wymaga to silniejszego pobudzenia niż w stanie spoczynku.

6. Voltage clamp Technika voltage clamp (stabilizacja napięcia) była opracowana przez Kenneth’a Cole’a w 1949 r. Alan Hodgkin i Andrew Huxley wykorzystał ją w serii eksperymentów (1952) nad mechanizmem generacji potencjału czynnościowego. Voltage clamp pozwala mierzyć prąd płynący przez błonę neuronu przy zadanym stałym napięciu błony. Voltage clamp działa na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Potencjał błonowy jest mierzony przez wzmacniacz podłączony do elektrod zewnątrz i wewnątrzkomórkowej. Jest on przekazywany do wzmacniacza (feedback amplifier). Drugie wejście do wzmacniacza stanowi potencjał z generatora ustalany przez eksperymentatora (command potential). Wzmacniacz oblicza różnicę napięć i przekazuje sygnał na elektrodę biegnącą wewnątrz komórki. Prąd potrzebny do utrzymania napięcia na zadanym poziomie jest miarą prądu błonowego płynącego przez kanały jonowe.

7. Eksperyment Hodgkina i Huxleya - video

8. Eksperyment Hodgkina i Huxleya - wyniki Mała depolaryzacja wywołuje prąd kondensatora Ic = C dV/dt oraz leak Il. Większa depolaryzacja wywołuje większy prąd kondensatora Ic oraz Il oraz dodatkowo prąd dokomórkowy a następnie odkomórkowy. Depolaryzacja w obecności tetrodoxyny (TTX) blokującej kanały Na a następnie w obecności tetraethyloammonium (TEA) blokującej kanał K pozwala zobaczyć ‘czysty’ prąd IK i INa, po odjęciu Ic oraz Il. • Fugu (puffer fish) zawiera substancję TTX. Ryby te są specjałem sushi. • Szkolenie na mistrza fugu trwa 3 lata, test zdaje ok. 30%. • Mimo wszystko,w Japonii, 5-10 osób rocznie umiera w wyniku spożycia fugu.

9. Eksperyment Hodgkina i Huxleya - wyniki Prawo Ohma Znając IK, INa, VK, VNa, oraz V można obliczyć gK i gNa. IK, INa można wyliczyć z pomiarów voltage clamp, VK, VNa- stałe, V – ustala eksperymentator.

10. Andrew Huxley, Alan Hodgkin (Nobel 1963)

11. HH model - bramki Pomiary voltage clamp dla różnych wartości V pozwoliły HH postawić hipotezę, że kanał Na posiada bramkę aktywacyjną i bramkę inaktywacyjną. Obie muszą być otwarte by kanał mógł przewodzić jony. Bramka aktywacyjna jest zamknięta gdy błona znajduje się poniżej potencjału spoczynkowego i otwiera się szybko przy depolaryzacji. Bramka inaktywacyjna jest otwarta przy potencjale spoczynkowym i wolno zamyka się w wyniku depolaryzacji. Kanał K posiada tylko bramkę aktywacyjną otwierającą się wolno w wyniku depolaryzacji. Zachowanie pojedynczych kanałów może być rejestrowane za pomocą patch clamp. W zapisach widać szybkie otwieranie i zamykanie pojedynczych kanałów. Ich suma daje gładki przebieg wartości prądu

12. Model bramki (gate model – Hodgkin i Huxley (1952)) Zamknięty Otwarty a 1 - y y y - prawdopodobieństwo, że bramka jest w stanie otwartym, 1-y – że w stanie zamkniętym, a, b – stałe szybkości. b Zakładamy kinetykę reakcji pierwszego rzędu: W stanie ustalonym: Stąd: Podstawiając do równania:

13. Model bramki (gate model – Hodgkin i Huxley (1952)) Całkując dostajemy: stan ustalony stała czasowa Zależność stałych czasowych i prawdopodobieństwa w stanie ustalonym od napięcia dla kanałów napięciowozależnych aktywowanych depolaryzacja (lub inaktywowanych hiperpolaryzacją).

14. HH model HH zauważyli, że gK i gNa nie są funkcjami exp(-t/t) lecz raczej potęgami funkcji ekspotencjalnych. Zaproponowali: Korzystając z modelu bramki:

15. HH model Rozwiązując równania na n, m i h dostajemy: Wstawiając rozwiązania do gNa i gK dostajemy: Gdyż m0 i hinf są zaniedbywalnie małe.

16. HH model Z przebiegów gK i gNaHH wyznaczyli: A następnie obliczyli:

17. HH model Po dopasowaniu oraz numerycznym rozwiązaniu równań HH, otrzymano doskonalą zgodność z doświadczeniem. Model HH jest wciąż uznawany za największy sukces w ilościowym modelowaniu mózgu a nawet i w całych naukach biologicznych. Teoria HH opisuje nie tylko generację potencjałów czynnościowych ale również ich propagacje. Model HH ma tez pewne ograniczenia. Dobrze opisuje makroskopowe prądy Na lecz jego przewidywania na poziomie pojedynczych kanałów nie zgadzają się z doświadczeniem (np. bramki m nie są od siebie niezależne i nie koniecznie są takie same). W równaniach HH można zaobserwować zachowania chaotyczne

18. Generacja potencjału czynnościowego - podsumowanie

19. Charakterystyka typowego kanału

20. Prądy w komórkach nerwowych • Klasyczna teoria Hodgkina i Huxleya opisująca procesy w błonie komórkowej axonu związanych z kanałami Na+ i K+ jest użyteczna lecz nie w pełni adekwatna do opisu innych części komórki np. dendrytów, ciała komórki, zakończenia aksonu. • W innych częściach komórek nerwowych istnieją cała gama kanałów jonowych dla różnego typu jonów. • Ilościowy model HH można modyfikować i stosować do opisu wielu innych napięciowo-zależnych kanałów jonowych.

21. Kanały Ca+ Dwa rodzaje kanałów wapniowych rejestrowanych metodą patch clamp. A. T-type (transient lub LVA – low voltage activation channel). B. L-Type (long lasting lub HVA – high voltage activated channel).

22. Kanały K+ IK(DR)+ IK(A) Istnieje wielka różnorodność kanałów K+. W aktywnej komórce, kanały K+ zapewniają powrót do stanu równowagi. Potencjał równowagowy dla K+ (-81 mV) jest bliski potencjałowi spoczynkowemu komórki (-70 mV). Po otwarciu kanałów Na+ lub Ca+, następuje aktywacja kanałów K+ mająca na celu przywrócenie potencjału spoczynkowego IK(Ca) Wybrane prądy potasowe: Delayed rectifier IK(DR) Transient IK(A) Delay current IK(D) Calcium-Dependent IK(Ca); IC Afterhyperpolarization IAHP Anomalous rectifier IAR; IQ; Ih M current IM Leak IK, leak IK(DR)+IK(A)+IK(D)+IK(Ca) +IAHP+IM

23. Kanały jonowe - podsumowanie

24. Rozszerzony model błony neuronalnej

25. Cztery rodzaje neuronów kory? W tradycyjnym ujęciu istniały cztery rodzaje zachowania neuronów kory mózgowej i przypisywano im różne rodzaje komórek: RS – regular spiking, FRB – fast rhythmic bursting, FS – fast spiking, IB – intrinsically bursting. Zapisy wewnątrzkomórkowe in vivo pokazały, że komórki mogą zmieniać wzorce odpalania w zależności od wartości potencjału błonowego. a) zapisy wewnątrzkomórkowe u czuwających i śpiących kotów b) zapis wewnątrzkomórkowy z neuronu korowego u kota w stanie anestezji. Podawanie prądu dokomórkowego (b1 - ramka) wywołuje zmianę wzorca odpalania. Mircea Steriade,Neocortical Cell Classes Are Flexible Entities. NATURE REVIEWS |NEUROSCIENCE, VOL. 5, pp. 121-134, 2004.

26. Przykład oddziaływania dwóch prądów - fale delta McCormick, D.A. and Pape, H.C. Properties of a hyperpolarization-activated cation current and its role in rhythmic oscillation in thalamic relay neurones. Journal of Physiology (1990) 431: 291-318

27. Potencjał czynnościowy - propagacja Prąd wpływający do komórki musi z niej wypłynąć by zamknąć obwód prądowy. Jony płyną wzdłuż komórki szukając miejsc najmniejszego oporu błony. Prądy te (tzw. prądy lokalne) rozprzestrzeniają depolaryzację do sąsiednich rejonów aksonu gdzie, jeśli próg jest osiągnięty, generowany jest następny potencjał. • We włóknach niezmielinizowancyh propagacja następuje w sposób ciągły. • B. We włóknach z mieliną propagacja następuje skokowo – od jednego przewężenia do następnego. • W dendrytach występują odcinki błony aktywnej (tzw. hot spots), w których może być generowany impuls. Jest to odmiana propagacji skokowej.

28. Teoria kablowa (cable theory) – propagacja potencjału czynnościowego Aby opisać propagację potencjału czynnościowego należy rozważyć teorię kablową opisującą rozchodzenie się jonów wzdłuż aksonu. W teorii kablowej aksony i dendryty są traktowane jako cylindry złożone z pojemności cm i oporu rm połączonych równolegle. Wzdłuż włókna występuje opór ri połączony szeregowo. ri rm, cm własności membrany parametry kabla - wewnątrzkomórkowy opór właściwy ( W*cm) - oporność osiowa (W /cm ) - opór właściwy błony (W *cm2) - oporność błony (W * cm ) - pojemność właściwa błony (F/cm2 ) - pojemność błony (F/cm ) Parametry membrany o długości l, przekroju A = pa2 i powierzchni S = 2pal : Ri, total=Ri*l/A Rm, total=Rm/S Cm, total=Cm*S

29. Teoria kablowa (cable theory) - cd Prąd przez błonę: Prawo Ohma: Zanik ii wraz z odległością (wyciek przez rm i cm): Potencjał czynnościowy propaguje się ze stałą prędkością. Stosujemy więc równanie falowe: Dostajemy gdzie, - prędkość propagacji

30. Teoria kablowa (cable theory) - cd Po rozwiązaniu równania dostajemy: dla K = 10.47 m/s – wyznaczona doświadczalnie q= 18.8 m/s qexp= 21.2 m/s

31. Dwa mity Neuron Impulsy elektryczne Impulsy elektryczne Komunikacja komórka grzyba komórka jajowa strunowca komórka skóry żaby pień dyni komórka przysadki mógowej szczura Komórki Rosiczki generują impulsy elektryczne podczas zamykania listków komórka pierwotniaka komórka trzustki szczura

32. Synapsa Sir Charles Sherrington, 1897, Podręcznik fizjologii <gr. sýnapsis połączenie>

33. Synapsy chemiczne i elektryczne Dwa główne sposoby komunikacji w układzie nerwowym: synapsy elektryczne i synapsy chemiczne. Cytoplasmic continuity between pre- and postsynaptic cells Ultrastructural components Synaptic delay Type of synapse Distance between pre- and postsynaptic cell membranes Agent of transmission Direction of transmission Yes Gap-junction channels Virtually absent Electrical 3.5 nm Ion current Usually bidirectional No Presynaptic vesicles and active zones; postsynaptic receptors Significant: at least 0.3 ms, usually 1-5 ms or longer Chemical 20-40 nm Chemical transmitter Unidirectional