Δυναμικό Ενέργειας & νευρικό σύστημα Γ. Κρεκούκιας MSc 1 IST/UH Physiology MS 2010-2011 1

Μαθησιακά Αποτελέσματα: Μετά από αυτή τη διάλεξη και την ολοκληρωμένη προσωπική μελέτη , θα πρέπει να μπορείτε: Να εξηγήσετε την δομή και τις διάφορες λειτουργίες του νευρικού συστήματος. Να εξηγήσετε πως παράγεται το δυναμικό ενέργειας και μεταδίδεται με τους νευρώνες. 2 IST/UH Physiology MS 2010-2011 2

Λειτουργίες του νευρικού συστήματος Λειτουργίες του νευρικού συστήματος Είσοδος ερεθισμάτων Επεξεργασία Κινητικό αποτέλεσμα 3 IST/UH Physiology MS 2010-2011

Νευρικό Σύστημα Κεντρικό νευρικό σύστημα (Κ.Ν.Σ) Κεντρικό νευρικό σύστημα (Κ.Ν.Σ) Εγκέφαλος Νωτιαίος μυελός Περιφερικό νευρικό σύστημα (Π.Ν.Σ) Αισθητικό Κινητικό Σωματικό νευρικό σύστημα (εκούσιες λειτουργίες) Αυτόνομο νευρικό σύστημα (ακούσιες λειτουργίες) Συμπαθητικό Παρασυμπαθητικό 4 IST/UH Physiology MS 2010-2011

Δυναμικό Ενέργειας Ένα ηλεκτρικό σήμα. Ένα ηλεκτρικό σήμα. Δημιουργείται/μεταβιβάζεται κατά μήκος των κυτταρικών μεμβράνων (νευρώνες, Μυϊκά κύτταρα, Ενδοκρινικά κύτταρα) Ξεκινά πολλές βιολογικές λειτουργίες. 5 IST/UH Physiology MS 2010-2011

Nευρώνας IST/UH Physiology MS 2010-2011

Δομή ενός νευρώνα Δενδρίτες Κεντρικό κύτταρο Αξονικός λοφίσκος Δομή ενός νευρώνα Δενδρίτες Κεντρικό κύτταρο Αξονικός λοφίσκος Άξονας (με ή χωρίς μυελώδες έλυτρο ) Απολήξεις άξονα Dendrites receive signal from other neurons ΟΙ δενδρίτες λαμβάνουν σήματα από άλλους νευρώνες Cell body Κεντρικό κύτταρο Axon hillock (action potential starts) Άξονας hillock (η δυνητκή δραση αρχίζει) Axon (with or without myelin sheath) Άξονας ( με ή χωρίς μυελώδες έλυτρο) Axon terminals sending out signals to other neurons and other types of cells, eg. muscle, endocrine glands Τελικός άξονας στέλνει σήματα σε άλλους νευρώνες και άλλους τύπους κυττάρων πχ μυς, ενδοκρινείς αδένες 7 IST/UH Physiology MS 2010-2011 7

Λειτουργίες του νευρώνα Λειτουργίες του νευρώνα Απελευθερώνει νευρο- διαβιβαστικές ουσίες Δημιουργεί δυναμικό ενέργειας για επικοινωνία σε μεγάλη απόσταση 8 IST/UH Physiology MS 2010-2011

Παραγωγή του Δυναμικού Ενέργειας Κυτταρική μεμβράνη και δίαυλοι ιόντων Συγκέντρωση ιόντων κατά μληκος της κυτταρικής μεμβράνης και δυναμικό ηρεμίας Αλλαγή στη διαπερατότητα των διαύλων ιόντων Εκπόλωση μεμβράνης Παραγωγή δυναμικού ενέργειας 9 IST/UH Physiology MS 2010-2011 9

Κυτταρική μεμβράνη και δίοδοι των ιόντων. Κυτταρική μεμβράνη και δίοδοι των ιόντων. Η συνοριακή γραμμή ενός κυττάρου Υπάρχουν πρωτεΐνες ενσωματωμένες στην μεμβράνη Οι δίοδοι των ιόντων είναι ένας τύπος από αυτές τις πρωτεΐνες Η μεμβράνη είναι διαπερατή σε συγκεκριμένα ιόντα (Na, K, Ca, κλπ) Μερικά ιόντα διέρχονται παθητικά Σε κάποια άλλα η διέλευσή τους ελέγχεται από τις διόδους Δίοδοι ελεγχόμενες από τη ρευματική τάση Δίοδοι ελεγχόμενες από νευροδιαβιβαστικές ουσίες 10 IST/UH Physiology MS 2010-2011

IST/UH Physiology MS 2010-2011

Συγκέντρωση των ιόντων Η συγκέντρωση των ιόντων είναι διαφορετική σ’ όλη την έκταση της μεμβράνης Το Να είναι υψηλότερο εξωτερικά Το K+ είναι υψηλότερο εσωτερικά 12 IST/UH Physiology MS 2010-2011

Κατάσταση Ηρεμίας Οι τασο-ελεγχόμενες δίοδοι ιόντων είναι κλειστές Κατάσταση Ηρεμίας Οι τασο-ελεγχόμενες δίοδοι ιόντων είναι κλειστές Μερικά ιόντα Κ εξέρχονται από την κυτταρική μεμβράνη μέσω διάχυσης Ελάχιστα ιόντα Na διαχέονται προς το εσωτερικό του κυττάρου Το δυναμικό ηρεμίας ενός εμμύελου νευρικού κυττάρου είναι -90mV 13 IST/UH Physiology MS 2010-2011

Κινητήρια Δύναμη Μεταφοράς Ιόντων Τα ιόντα τείνουν να κινούνται από την υψηλότερη στην χαμηλότερη πυκνότητα (χημικός κανόνας) Different species and different cell types might have some variation of the ionic concentrations (look at the self-study pack Table 3, p25 for a comparison between a squid axon and a mammalian axon. What we try to make sense here is to point out the general magnitude and the direction of high concentration. E.g.. Cl is always associated with Na. Θετικά φορτισμένα ιόντα τείνουν να κινούνται σε αρνητικά φορτισμένες περιοχές (ηλεκτρικός κανόνας) 14 IST/UH Physiology MS 2010-2011 14

Εκπόλωση/Υπερπόλωση Εκπόλωση:Η μείωση του ηλεκτρικού δυναμικού στην μεμβράνη π.χ. -90mV +30mV Υπερπόλλωση: Η αύξηση του ηλεκτρικού δυναμικού στην μεμβράνη, κάνει το εσωτερικό περισσότερο αρνητικό π.χ. -90mV -100mV 15 IST/UH Physiology MS 2010-2011

Εκπόλωση/Υπερπόλωση Δυναμικό Μεμβράνης (mV) -90 Εκπόλωση Δυναμικό Μεμβράνης (mV) Show the OH of three phases -90 Δυναμικό Ηρεμίας Υπερπόλωση IST/UH Physiology MS 2010-2011

Δυναμικό Ενέργειας Οι αλλαγές στο δυναμικό της μεμβράνης φτάνουν σε ένα κατώφλι και γίνεται εκπόλωση στο δυναμικό της μεμβράνης. Κατά τη διάρκεια της μεταβίβασης του ερεθίσματος, ο βαθμός της εκπόλωσης παραμένει ο ίδιος Action potential only lasts for a few milliseconds Κάθε δράση του δυναμικού διαρκεί λίγα 17 IST/UH Physiology MS 2010-2011 17

Show the OH of three phases IST/UH Physiology MS 2010-2011 18

Φάσεις Δυναμικού ενέργειας Φάσεις Δυναμικού ενέργειας Το δυναμικό της μεμβράνης αγγίζει το κατώφλι +30 Φάση 1 Φάση 2 Φάση 1:Εκπόλωση Δυναμικό Μεμβράνης (mV) Show the OH of three phases l Φάση 2:Επαναπόλωση Phase 3: Υπερπόλωση -55 Threshold Φάση 3 -90 Resting potential Χρόνος (sec) IST/UH Physiology MS 2010-2011 19

Εκπόλωση Τασο-εξαρτώμενες δίαυλοι ιόντων Νατρίου Άννοιγμα των διαύλων Άννοιγμα των διαύλων Αύξηση της διαπερατότητας για Na+ Διέλευση Na+ Εκπόλωση 20 IST/UH Physiology MS 2010-2011

Επαναπόλωση Η φάση της εκπόλλωσης συνεχίζεται μέχρι να ανοίξουν όλοι οι δίοδοι Νa+ έπειτα απενεργοποιούνται (Δυναμικό Μεμβράνης ~ +30mV) Σταματά η ροή Na+ Οι τασο-ελεγχόμενες δίοδοι Κ+ ανοίγουν Τα Κ+ εξέρχονται μέσα από τα κύτταρα Το ηλεκτρικό δυναμικό της μεμβράνης επιστρέφει στην ηρεμία (-90mV) 21 IST/UH Physiology MS 2010-2011

IST/UH Physiology MS 2010-2011

Υπερπόλωση Οι τασο-ελεγχόμενες δίοδοι Κ+ κλείνουν αργά Οι τασο-ελεγχόμενες δίοδοι Κ+ κλείνουν αργά Τα Κ+ συνεχίζουν να εξέρχονται Η μεμβράνη πολώνεται περισσότερο (-100mV) IST/UH Physiology MS 2010-2011

Ανερέθιστη Περίοδος Ελαττωμένη διεγερσιμότητα Απόλυτη ανερέθιστη περίοδος (1-2ms) (δεν είναι δυνατό να έχουμε δεύτερο ΔΕ) Σχετική ανερέθιστη περίοδος (5-15ms) (είναι δυνατό να έχουμε δεύτερο ΔΕ αλλά απαιτείται ισχυρότερο ερέθισμα) Period of reduced excitability Absolute refractory period: (1-2ms) the depolarisation phase + most of repolarisation phase (impossible to have a second AP; due to inactivation of Na channels) Relative refractory period: (5-15ms) following the absolute refractory period until the end of hyperpolarisation (possible to have a second AP, but need a stronger stimulus; due to open K channels) IST/UH Physiology MS 2010-2011

Δυναμικό Μεβράνης Stanfield & Germann Fig 7.17 IST/UH Physiology MS 2010-2011

Μετάδοση του Δυναμικού Ενέργειας Αμύελες και Εμμύελες Ίνες IST/UH Physiology MS 2010-2011

Μετάδοση του Δυναμικού Ενέργειας - Εμμύελες Ίνες Το έλυτρο της μυελίνης δρα ως ηλεκτρική μόνωση και αποτρέπει τη διαρροή φορτίου από τον νευράξονα Η αγωγή του ρεύματος γίνεται μόνο στο ύψος των κόμβων του Ranvier Η αγωγή είναι πολύ ταχύτερη (5 έως 50 φορές) σε σχέση με κάποιο αμύελο άξονα IST/UH Physiology MS 2010-2011

IST/UH Physiology MS 2010-2011