Σπύρος Ευθυμιόπουλος Ιωάννα-Κατερίνα Αγγελή Αθηνά Μαρμάρη Άκσηση 2: Προσομοίωση νευρώνων. Μελέτη των ιδιοτήτων τους-ηρεμία & διέγερση Σπύρος Ευθυμιόπουλος Ιωάννα-Κατερίνα Αγγελή Αθηνά Μαρμάρη

Οι νευρώνες είναι διεγέρσιμα κύτταρα Οι νευρώνες είναι διεγέρσιμα κύτταρα. Η δυνατότητα διέγερσης τους οφείλεται κυρίως στις ιδιότητες της μεμβράνης τους

Ιδιότητες της μεμβράνης Χωρητικότητα της μεβράνης Αντίσταση της μεμβράνης και Παρουσία αντλιών ιόντων νατρίου και καλίου Παρουσία μη ελεγχόμενων καναλιών ιόντων Παρουσία τασεο-ελεγχόμενων καναλιών ιόντων

Η Χωρητικότητα της μεβράνης Η ιδιότητα της μεμβράνης του νευρικού κυττάρου να διαχωρίζει και να συσσωρεύει (χωράει) φορτία ονομάζεται Χωρητικότητα της μεμβράνης. Ορίζεται ως η ποσότητα του φορτίου που «συγκρατεί» ανά μονάδα διαφοράς δυναμικού. Επειδή η μεμβράνη διαχωρίζει και συσσωρεύει φορτία μπορούμε να θεωρήσουμε ότι λειτουργεί ως πυκνωτής

Η αντίσταση της μεβράνης Η ιδιότητα της μεμβράνης του νευρικού κυττάρου να προβάλει αντίσταση στην ελεύθερη διάχυση των ιόντων ονομάζεται Αντίσταση της μεμβράνης. Ορίζεται ως το μέτρο της δυσκολίας με την οποία τα ιόντα περνούν μέσα από την μεμβράνη κάτω από την επίδραση διαφοράς δυναμικού. Αντίστοιχα έχουμε και την αντίσταση του αξονοπλάσματος.

Αντλία Ιόντων Na+ και K+ Η αντλία βρίσκεται στην μεμβράνη του νευρικού κυττάρου και με κατανάλωση ενέργειας βγάζει 3 Na+ έξω από το κύτταρο και βάζει 2 Κ+ μέσα στο κύτταρο. Έτσι «επιβάλει» μεγαλύτερη συγκέντρωση ιόντων Na+ στο εξωτερικό του κυττάρου και μεγαλύτερη συγκέντρωση ιόντων Κ+ στο εσωτερικό του κυττάρου. Διατηρεί ή επαναφέρει το δυναμικό ηρεμίας (την ηρεμία).

Τασεο-ελεγχόμενα κανάλια ιόντων Είναι εξειδικευμένα για κάθε ιόν κανάλια τα οποία ανοίγουν ή κλείνουν όταν το δυναμικό της μεμβράνης πάρει συγκεκριμένες τιμές

Δυναμικό ηρεμίας του νευρώνα Επειδή η μεμβράνη του νευρικού κυττάρου διαχωρίζει φορτία (φορτισμένα ιόντα) αναπτύσσεται ενδοκυτταρικό και εξωκυτταρικό δυναμικό. Μάλιστα αν από το ενδοκυτταρικό δυναμικό αφαιρεθεί το εξωκυτταρικό δυναμικό προκύπτει το δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης του νευρώνα που έχει τιμή περίπου -65 mV (το μείον δείχνει το σημείο του ενδοκυτταρικού δυναμικού). Το εσωτερικό της μεμβράνης είναι αρνητικά φορτισμένο και το εξωτερικό είναι θετικά φορτισμένο

Η νευρωνική μεμβράνη διαχωρίζει κυρίως ιόντα Να+, Κ+ και Cl- Ενδοκυτταρικά Εξωκυτταρικά Να+= 5-15 mM Κ+ = 140 mM Cl-= 4-30 mM Να+= 145 mM Κ+ = 5 mM Cl-= 110 mM Τα ιόντα υφίστανται συνεχώς δυνάμεις που τα ωθούν να κινηθούν διάμεσο της μεμβράνης. Αυτές οι δυνάμεις προκύπτουν από την ηλεκτρική και χημική τους βαθμίδωση.

Η διαπερατότητα της μεμβράνης για το K+ Ενδοκυττάριος χώρος Εξωκυττάριος χώρος Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Ηλεκτρική Βαθμίδωση=-65mV Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Χημική Βαθμίδωση=-75mV Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Ηλεκτρικο-χημική Βαθμίδωση=-65mV-(-75mV)=+10mV Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Κ+ Κ+

Η διαπερατότητα της μεμβράνης για το Na+ Ενδοκυττάριος χώρος Εξωκυττάριος χώρος Na+ Na+ Na+ Na+ Ηλεκτρική Βαθμίδωση=-65mV Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Χημική Βαθμίδωση=+50mV Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Ηλεκτρικο-χημική Βαθμίδωση=-65mV-(+50mV)=-115mV Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+

Ποιά είναι η επίδραση ενός ερεθίσματος στην διαπερατότητα της μεβράνης και στο δυναμικό της Το ερέθισμα ανοίγει κανάλια ιόντων νατρίου τα οποία εισέρχονται στο κύτταρο με βάση την ηλεκτροχημική τους βαθμίδωση. Τοπικά το δυναμικό της μεβράνης μετατοπίζεται προς πιο θετικές τιμές. Σε αυτή την περίπτωση λέμε ότι το ερέθισμα προκαλεί εκπόλωση της μεμβράνης και προάγεται η διέγερση του νευρώνα. Τοπικό ρεύμα

Ποιά είναι η επίδραση ενός ερεθίσματος στην διαπερατότητα της μεβράνης και στο δυναμικό της Στην συνέχεια από το σημείο εισόδου τα ιόντα νατρίου διαχέονται προς όλες τις κατευθύνσεις. Δημιουργούν ένα τοπικό ρεύμα που χάνει την έντασή του όσο μεγαλώνει η απόσταση από το σημείο εισόδου. Είναι ένα διαβαθμιζόμενο ρεύμα Τοπικό ρεύμα

Ποιά είναι η επίδραση ενός ερεθίσματος στην διαπερατότητα της μεβράνης και στο δυναμικό της Η διάχυση των ιόντων νατρίου μακριά από το σημείο εισόδου έχει σαν αποτέλεσμα αλλαγή του δυναμικού της μεμβράνης τόσο στο σημείο εισόδου όσο και σε κάποια απόσταση από το σημείο αυτό. Η αλλαγή είναι μεγάλη στο σημείο εισόδου και μικραίνει όσο απομακρυνόμαστε από το σημείο εισόδου. Είναι ένα διαβαθμιζόμενο δυναμικό

Όσο μεγαλύτερο είναι το ερέθισμα τόσο μεγαλύτερη είναι η αλλαγή στο δυναμικό της μεμβράνης Έχει παρατηρηθεί ότι η απόκριση του νευρώνα (η αλλαγή στο δυναμικό της μεμβράνης του) είναι, μέχρι ένα σημείο, διαβαθμιζόμενη. Όσο μεγαλύτερο είναι το ερέθισμα τόσο μεγαλύτερη η απόκριση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ισχυρότερα ερεθίσματα επάγουν το άνοιγμα περισσότερων καναλιών ιόντων νατρίου

Όταν το ερέθισμα έχει ένταση μεγαλύτερη από μια οριακή τιμή αναπτύσσεται ένα δυναμικό δράσης

Δυναμικό δράσης (ενέργειας) ή νευρικός παλμός Είναι ένα κύμα ηλεκτρικής δραστηριότητας που διαδίδεται κατά μήκος του άξονα διατηρώντας το μέγεθός του σταθερό. Παράγεται από ένα εκπολωτικό ρεύμα (ρεύμα που μετατοπίζει το δυναμικό της μεμβράνης προς πιο θετικές τιμές) που μεταβάλει το δυναμικό της μεμβράνης πέρα από κάποιο κρίσιμο δυναμικό (-50mV). Το ρεύμα αυτό ονομάζεται οριακό ρεύμα ή οριακό ερέθισμα. Όταν ξεπεραστεί το κρίσιμο δυναμικό χωρίς άλλη ενίσχυση το δυναμικό μετατοπίζεται στα +30 έως +50mV στην συνέχεια επανέρχεται στην ηρεμία.

Περίοδοι απόλυτης και σχετικής ανερεθιστότητας Απόλυτη ανερεθιστότητα Σχετική ανερεθιστότητα Η περίοδος μετά από ένα δυναμικό δράσης όπου ανεξάρτητα από την ένταση του ερεθίσματος δεν είναι δυνατή η παραγωγή ενός νέου δυναμικού δράσης Η περίοδος μετά από ένα δυναμικό δράσης όπου μόνο ερεθίσματα μεγαλύτερης έντασης από το συνηθισμένο μπορούν να προκαλέσουν την παραγωγή ενός νέου δυναμικού δράσης

Μεταβολές στην αγωγιμότητα της μεμβράνης κατά την διάρκεια ενός δυναμικού δράσης: Αγωγιμότητα Na+ Όταν το δυναμικό της μεμβράνης ξεπεράσει μια οριακή τιμή (-50mV) ανοίγουν Κανάλια Na+ γιατί το άνοιγμά τους ελέγχεται από το δυναμικό (είναι τάσσεο-εξαρτώμενα). Ιόντα Na+ χύνονται στο εσωτερικό του κυττάρου και μετατοπίζουν το δυναμικό της μεμβράνης στα +30 έως +50 mV. Αυτή είναι η τιμή του δυναμικού που προκαλεί κλείσιμο των καναλιών Na+.

Μεταβολές στην αγωγιμότητα της μεμβράνης κατά την διάρκεια ενός δυναμικού δράσης: Αγωγιμότητα Κ+ Στην τιμή των +30 έως +50mV που κλείνουν τα κανάλια Na+ ανοίγουν τα κανάλια Κ+ γιατί το άνοιγμά τους ελέγχεται από το δυναμικό (είναι τάσσεο-εξαρτώμενα). Ιόντα Κ+ χύνονται έξω από το κύτταρο και μετατοπίζουν το δυναμικό της μεμβράνης στα -75 mV. Στην συνέχεια η αντλία ιόντων Na+ και K+ επαναφέρει το δυναμικό στα επίπεδα ηρεμίας (-65mV)

Μεταβολές στην αγωγιμότητα της μεμβράνης κατά την διάρκεια ενός δυναμικού δράσης

Πρώτο Μέρος: Ηλεκτρικές ιδιότητες της μεμβράνης-Cable. Μελέτη της ταχύτητας αντίδρασης της μεμβράνης σε ένα ερέθισμα (σταθερά χρόνου) Μελέτη της ταχύτητας με την οποία κινείται η αλλαγή του δυναμικού κατά μήκος της μεμβράνης (μετρείται η ελάχιστη αλλαγή στο δυναμικό της μεμβράνης) (σταθερά μήκους) Μελέτη της ταχύτητας με την οποία το δυναμικό της μεμβράνης παίρνει την μέγιστη τιμή για το συγκεκριμένο ερέθισμα

Σταθερά χρόνου Εκφράζει την καθυστέρηση στην αλλαγή του δυναμικού της μεμβράνης μετά την επίδραση ενός διεγερτικού ρεύματος. Πιο συγκεκριμένα, πόσο γρήγορα (το χρόνο που απαιτείται) μετά την επίδραση ηλεκτρικού ερεθίσματος το δυναμικό της μεμβράνης να πάρει τιμή ίση με το 84% της μέγιστης

Η μεμβάνη αποκρίνεται με καθυστέρηση σε ένα διεγερτικό ρεύμα Θεωρητικά Παρατηρούμενο Ρεύμα διέγερσης Ρεύμα διέγερσης t χρόνος t χρόνος Δυναμικό μεμβράνης Δυναμικό μεμβράνης t χρόνος t χρόνος Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η μεμβράνη δεν είναι μόνο αντίσταση αλλά λειτουργεί και ως πυκνωτής

Η καθυστέρηση στην απόκριση της μεμβράνης ορίζεται από την Σταθερά χρόνου Παρατηρούμενο Τι μετράμε Ρεύμα διέγερσης 100% t χρόνος 84% Δυναμικό μεμβράνης t χρόνος t χρόνος

Σταθερά χρόνου Θα ανοίξετε διαδοχικά τα αρχεία C1, C2, C3, C4 και C5. Σε κάθε ένα από αυτά τα αρχεία ο νευρώνας έχει διαφορετικές ιδιότητες: Αντίσταση, διάμετρο και χωρητικότητα. Να σημειώσετε αυτές τις διαφορές Να καταγράψετε την μέγιστη αλλαγή στο δυναμικό της μεμβράνης (Vm) σε (mV) και το χρόνο (rm, σταθερά χρόνου), σε (msec) στον οποίο το δυναμικό της μεβράνης παίρνει τιμή ίση με το 84% της μέγιστης για το συγκεκριμένο υποοριακό δυναμικό. Με βάση τα δεδομένα σας να εκτιμήσετε πως επηρεάζουν οι ιδιότητες του νευρώνα την σταθερά χρόνου

Σταθερά χρόνου (C1-C5) +1 +2 1:Βρείτε την μέγιστη απόκριση στο υποοριακό ερέθισμα 2:Βρείτε την θέση όπου η αλλαγή στο δυναμικό είναι το 84% της μέγιστης. Ο υπολογιστής θα υπολογίσει το rm (σταθερά χρόνου και εσείς θα την καταγράψετε στον σχετικό πίνακα) Με βάση τα δεδομένα σας να εκτιμήσετε πως επηρεάζουν οι ιδιότητες του νευρώνα την σταθερά χρόνου

Σταθερά μήκους Εκφράζει πόσο γρήγορα κινείται η αλλαγή του δυναμικού της μεμβράνης κατά μήκος του νευράξονα μετά από ένα ηλεκτρικό ερέθισμα. Εκφράζεται ως η απόσταση από το σημείο διέγερσης στην οποία το δυναμικό της μεμβράνης έχει τιμή ίση με το 37% της τιμής στο σημείο διέγερσης

Πως μετράμε την σταθερά μήκους; Τοποθετούμε καταγραφικά ηλεκτρόδια σε διάφορες αποστάσεις από ένα διεγερτικό ηλεκτρόδιο. Διεγείρουμε το νευρικό κύτταρο με το διεγερτικό ηλεκτρόδιο και στην συνέχεια καταγράφουμε με τα καταγραφικά ηλεκτρόδια το δυναμικό σε κάθε θέση. Υπολογίζουμε την απόσταση από το διεγερτικό ηλεκτρόδιο όπου έχουμε ελάττωση του δυναμικού στο 37% της μέγιστης τιμής του (θέση 0).

Σταθερά μήκους (C6, C7) + + + Το μέγιστο δυναμικό που καταγράφεται από το καταγραφικό ηλεκτρόδιο. Να σχεδιάσετε την γραφική παράσταση V προς S και βάση της καμπύλης θα υπολογιστεί η σταθερά μήκους

Vm cm 37% λ Σταθερά μήκους (C6 & C7)

Καθυστέρηση στην απόκριση (C7) + + + Ο χρόνος που μεσολαβεί για να καταγραφεί μια ελάχιστη απόκριση, μεταβολή του δυναμικού της μεμβράνης, από το καταγραφικό ηλεκτρόδιο.

Ταχύτητα αγωγής (C8) +1 1: Για κάθε ηλεκτρόδιο βρίσκετε την μέγιστη απόκριση βάζοντας τον δείκτη (+) στην κορυφή και συγχρόνως καταγράφετε το χρόνο που μεσολαβεί για να έχουμε την μέγιστη απόκριση Να σχεδιάσετε την γραφική παράσταση S προς t. Η κλίση της ευθείας είναι η ταχύτητα αγωγής. S= η απόσταση του κάθε καταγραφικού από το διεγερτικό ηλεκτρόδιο t=Ο χρόνος που μεσολαβεί για να καταγραφεί η μέγιστη απόκριση, μεταβολή του δυναμικού της μεμβράνης, από κάθε καταγραφικό ηλεκτρόδιο.

Δεύτερο μέρος: Δυναμικό δράσης (Hodgkin-Huxley) Σχέση διάρκειας και έντασης ερεθίσματος για να δημιουργηθεί δυναμικό δράσης Η επίδραση των εξωκυττάριων συγκεντρώσεων των ιόντων στο μέγεθος του δυναμικού δράσης και του δυναμικού ηρεμίας Ορισμός της σχετικής και απόλυτης περιόδου ανερεθιστότητας Επίδραση φαρμάκων στην δημιουργία δυναμικού δράσης

Σχέση διάρκειας και έντασης ερεθίσματος (H1, H2) Για κάθε διάρκεια ξεχωριστά βρίσκουμε το οριακό δυναμικό που μας δίνει δυναμικό δράσης

Ρεοβάση -Χροναξία Ρεοβάση (V) 2 χ Ρεοβάση Χροναξία (ms)

Επίδραση εξωκυττάριων συγκεντρώσεων Ιόντων στο δυναμικό δράσης και στο δυναμικό ηρεμίας (H9) Διατηρείται σταθερή την συγκέντρωση των ιόντων Νατρίου στα 418 mM και μεταβάλεται την συγκέντρωση των ιόντων καλίου. Καταγράφετε το μέγεθος του ΔΔ Διατηρείται σταθερή την συγκέντρωση των ιόντων Νατρίου στα 10 mM και μεταβάλεται την συγκέντρωση των ιόντων καλίου. Καταγράφεται το μέγεθος του ΔΥ.

Ανερεθιστότητα (H10 Να θεωρείσετε ότι η τιμή του οριακού δυναμικού είναι 50 mV και να μεταβάλετε σταδιακά την διάρκεια του μεσοδιαστήματος από 13 msec στα 4 msec ελέγχοντας την ένταση του 2ου παλμού.

Επίδραση φαρμάκων (Η8) Να ελέγξετε την επίδραση 3 φαρμάκων στην αγωγιμότητα του νευρώνα και στην δημιουργία δυναμικού δράσης. Να συμπεράνετε τον μηχανισμό δράσης των φαρμάκων.