Alan Longstaff Wyk�ady z neurologii Sekcja A - Kom�rki nerwowe A1 BUDOWA NEURONU Has�a Cia�o kom�rki Neuryty Cia�o kom�rki nerwowej zawiera wszystkie organelle kom�rkowe znajdowane w typowej kom�rce zwierz�cej. Jednak kom�rki nerwowe s� wyspecjalizowane w utrzymywaniu wysokiego tempa syntezy bia�ek, CO nrizwiprripdlaja ria�k^jyi^sjp hnpate w rybosomy. Neuryty to d�ugie elementy projekcyjne kom�rek nerwowych. Wyr�nia si� dwa ich typy, dendryty i aksony. Dendryty s� przed�u�eniami cia�a kom�rki i otrzymuj� wi�kszo�� informacji dochodz�cej do kom�rki. Neuron mo�e mie� jeden lub wiele dendryt�w i jeden akson wychodz�cy ze wzg�rka aksonalnego. Zako�czenia aksonalne tworz� komponenty presynaptyczne synaps. Akson czy dendryt?) W uk�adzie nerwowym na podstawie struktury wyr�nia si� dwa 1 ��� �' ' "T* typy neuryt�w. Dendryty zawieraj� wiele organelli i maj� zdolno�� . M- w C ' tA ; i/L do syntezy bia�ek. W akspnach natomiast nie zachodzi synteza bia�ek, dlatego substancje te dostarczane s� do nich z cia�a neuronu. Zar�wno dendryty, jak i aksony zawieraj� mitochondria. Organelle s� transportowane do neuryt�w poprzez mikrotubule. Tematy pokrewne Budowa synaps chemicznych (A3) Cia�o kom�rki Cia�o kom�rki nerwowej (inaczej soma lub perikarion, oba poj�cia s� synonimami; por. rys. T) zawiera j�dro, aparat Golgiego, rybosomy oraz inne organelle kom�rkowe i jest odpowiedzialne za wi�kszo�� rutyno- wych funkcji utrzymuj�cych struktur� neuronu. Perikarion neuronu nie r�ni si� bardzo od cia�a kom�rki nienerwowej, chocia� strukturalnie jest ^ , on wyspecjalizowany w utrzymywaniu du�ej aktywno�ci biosyntetycz- !>*' 'nej. Na przyk�ad szorstkie retikulum endoplazmatyczne jest tak g�sto upakowane rybosomami, �e tworzy wr�cz charakterystyczne struktury zwane cia�kami Njs�la. Odzwierciedla to zdolno�� neuron�w do wyso- kiego tempa syntezy bia�ek. Istnieje wiele typ�w neuron�w, kt�re r�ni� si� przede wszystkim wielko�ci�. Najmniejsze z nich maj� �rednic� 5-8 (im, a najwi�ksze oko�o 120 urn. Neuryty Neurony r�ni� si� od innych kom�rek tym, i� maj� neuryty, d�ugie (w stosunku do rozmiar�w cia�a neuronu) cylindryczne wypustki dwoja- kiego rodzaju, dendryty i aksony. Dendryty s� silnie rozga��zionymi przed�u�eniami cia�a kom�rki, o d�ugo�ci nawet ponad l mm i sta- Sekcja A - Kom�rki nerwowe dendryt apikalny cia�o kom�rki dendryt podstawny wzg�rek aksonowy kolaterale aksonu akson wchodz�cy do istoty bia�ej Rys. 1. Budowa neuronu. Schemat kom�rki piramidalnej pokazuje rozmieszczenie neuryt�w (dendryt�w i akson�w) nowi�cymi do 90% ca�kowitej powierzchni wielu neuron�w. Dendryty niekt�rych neuron�w s� pokryte setkami cienkich palcowatych twor�w zwanych kolcami dendrytycznymi, na kt�rych tworz� si� synapsy (patrz ni�ej). Kom�rki nerwowe zawieraj�ce kolce nazywane s� neuronami kol- czastymi, a te, kt�re ich nie maj� � neuronami bezkolcowymi. Neuron mo�e mie� jeden lub wiele dendryt�w, u�o�onych we wz�r typowy dla danej kom�rki i tworz�cych wsp�lnie tzw. drzewko dendrytyczne. Wi�kszo�� wej�� synaptycznych pochodz�cych z innych neuron�w dochodzi do dendryt�w. Kom�rki nerwowe zwykle maj� tylko jeden akson, kt�ry przewa�nie wychodzi z cia�a kom�rki, ale czasami mo�e mie� pocz�tek na dendrycie J2roksvrnalnym (dendryt najbli�szy cia�a kom�rki). W ka�dym przypad- ku miejsce wychodzenia aksonu nazywane jest wzg�rkiem aksono- wym. Aksony maj� �rednic� w granicach od 0,2 do 20 um u ludzi (cho- cia� �rednica akson�w u bezkr�gowc�w mo�e osi�ga� l mm) i d�ugo�� od kilku |im do ponad metra. Aksony mog� by� otoczone os�onk� mieli- now� i zwykle rozga��ziaj� si�, szczeg�lnie w ich dystalnych ko�cach (tzn. najdalej od cia�a neuronu). Rozga��zienia te nazywane s� kolatera- lami (bocznicami) aksonu. Pogrubione zatco�czenia akson�w zwane kolbkami lub guziczkami zawieraj� zwykle mitochondria i p�cherzyki plazmolemalne. Niekt�re aksony ko�cz� si� p�czkiem ga��zek (rozga- ��zienia ko�cowe), z kt�rych ka�da zako�czona jest guziczkiem, nato- miast inne aksony maj� guziczki na ca�ej swojej d�ugo�ci, nazywane w tym przypadku �ylakowato�ciami. Zako�czenia akson�w tworz� komponenty presynaptyczne synaps chemicznych. A1 - Budowa neuronu ^ 1t, oJucmo Akson czy dendryt? Akson od dendrytu mo�na odr�ni� na podstawie struktury. Aksony s� zazwyczaj d�ugie, o wyr�wnanej �rednicy, nie rozga��ziaj� si� zbyt g�sto, nie maj� kolc�w i s� otoczone osioiikajiiielmew�^Dendryty s� kr�tsze, g�sto rozga��zione wzd�u� ca�ej d�ugo�ci, zw�aj� si� ku ko�cowi, a cz�� z nich ma struktury zwane kolcami dendrytycznymi. Dendryty s� prze- d�u�eniem cia�a kom�rki i dlatego zawieraj� aparat Golgiego, szorstkie retikulum endoplazmatyczne i rybosorny � organelle nie wyst�puj�ce ow/i w aksonach. Natomiast zar�wno dendryty, jak i aksony zawieraj� mito- chpndria. Poniewa� aksony nie maj� maszynerii do syntezy bia�ek, to substancje te s� dostarczane z cia�a jcojnp?k^zjivykorzystartiern mecha- nizmu zwanego 6ransporton_ajcsoglazma^czn^m) Zako�czenia akso- n�w zawieraj� ba7cT�^^u^�~mito^no�dri�w7 co jest odzwierciedleniem znacznych potrzeb energetycznych metabolizmu akson�w. R�nice w sk�adzie organelli w obu typach neuryt�w wynikaj� z od- miennej organizacji mikrotubul. Mikrotubule s� d�ugimi bia�kowymi polimerami, b�d�cymi cz�ci� wewn�trznego rusztowania kom�rek zwanego^cyjoszkiej�tenu Mikrotubule dzia�aj� jak szyny, po kt�rych organelle poruszaj� si� wewn�trz kom�rki. Oba ko�ce mikrotubul s� spolaryzowane i obdarzone znakiem + lub -, co oznacza, �e organelle poruszaj� si� w specyficznych kierunkach. Mitochondria w�druj� od 4ko�ca - do ko�ca +, podczas gdy pozosta�e organelle poruszaj� si� w kie- runku od + do -. Zar�wno dendryty, jak i aksony s� wype�nione mikro- tubulami. Mikrotubule w dendrytach u�o�one s� w obu kierunkach, od + do - i odwrotnie. W aksonach natomiast mikrotubule uk�adaj� si� zawsze ko�cem -�r^dyjrtalnij|>od cia�a kom�rki. Tak wi�c aksony transportuj� mito- chondria w kierunku od cia�a neuronu do swoich zako�cze�, nie mog� natomiast transportowa� innych organelli. Inaczej w dendrytach, mikro- tubule zorientowane w obu kierunkach mog� transportowa� wszystkie rodzaje organelli kom�rkowych. W okresie rozwoju i dojrzewania neurony wytwarzaj� wypustki, kt�re pocz�tkowo nie r�ni� si� od siebie. Proces ich r�nicowania nie jest dotychczas dok�adnie poznany i nie wiadomo, co decyduje o tym, �e jedne z nich b�d� aksonami, a inne dendrytami. Pierwszym, wyra�nie rozr�nialnym sygna�em, �e dana wypustka b�dzie aksonem, jest jej zna- cznie szybsze tempo wyrastania, od tych, kt�re b�d� w przysz�o�ci dendrytami. Sekcja A - Kom�rki nerwowe A2 RODZAJE i LICZBA NEURON�W Has�a Klasyfikacja neuron�w Liczba neuron�w Neurony mo�na sklasyfikowa� na podstawie ich morfologii, funkcji oraz wydzielanych przez nie neuroprzeka�nik�w. Kom�rki z jednym, dwoma lub trzema i wi�cej neurytami nazywa si� odpowiednio jedno-, dwu- i wielobiegunowymi. Kszta�t drzewka dendrytycznego, obecno�� lub brak kolc�w na dendrytach, a tak�e d�ugo�� akson�w s� cechami pomagaj�cymi klasyfikowa� neurony. Klasyfikacja na podstawie funkcji neuron�w wyr�nia neurony czuciowe, odpowiadaj�ce wprost na bod�ce fizyczne, i neurony ruchowe, kt�re tworz� synapsy na kom�rkach mi�niowych (efektorach). Uk�ad nerwowy cz�owieka mo�e zawiera� 300-500 mld kom�rek nerwowych. G�sto�� neuron�w jest warto�ci� stosunkowo sta�� w obr�bie ca�ej kory m�zgowej, a tak�e w korze m�zgowej r�nych gatunk�w ssak�w, co oznacza, �e u osobnik�w o mniejszych m�zgach jest mniej kom�rek nerwowych. Tematy pokrewne Budowa obwodowego uk�adu nerwowego (El) Budowa o�rodkowego uk�adu nerwowego (E2) Klasyfikacja Nie ma czego� takiego, jak �typowy" neuron. Neurony r�ni� si� znac2 neuron�w nie kszta�tami i rozmiarami, liczb� tworzonych synaps, a tak�e rodzajer , . , wydzielanego neuroprzeka�nika. Chocia� neurony s� klasyfikowane n .,-.... podstawie tak r�nych atrybut�w, to uwa�a si�, �e neurony nale��ce d , danej klasy maj� podobne funkqe. Cechy strukturalne, na podstawie kt�rych klasyfikuje si� neurony, t ich rozmiar, liczba posiadanych neuryt�w, wz�r ich drzewka dendryty cznego, d�ugo�� akson�w oraz charakter wytwarzanych przez nie pc ��cze�. Neuron z pojedynczym neurytem to kom�rka jednobiegunow; z dwoma � kom�rka dwubiegunowa, a z trzema i wi�cej � kom�rk wielobiegunowa (rys. 1). Wi�kszo�� neuron�w w uk�adzie nerwowyr kr�gowc�w to kom�rki wielobiegunowe, jednak istnieje tu kilka wa2 nych wyj�tk�w. Na przyk�ad, populaq'a kom�rek siatk�wki, kt�re twe r�� synapsy na fotoreceptorach, to kom�rki dwubiegunowe, a neuron l t-ezudpwe.zwoj�w korzeni grzbietowych to kom�rki pseudojednobiegu * nowe. Tak naprawd�, w pocz�tkowym okresie �ycia s� to neurony dwi: f biegunowe, jednak w miar� rozwoju ich neuryty ulegaj� fuzji. W uk�� n bezkr�gowc�w dominuj� kom�rki jednobiegunowe. Wyst�powanie kolc�w dendrytycznych na dendrytach oraz kszta: drzewka dendrytycznego tak�e mog� s�u�y� klasyfikacji neuron�w A2 - Rodzaje i liczba neuron�w/ kom�rka Purkinjego (kora m�d�ku) dendryt akson akson interneuron (pra�kowie) akson 100 urn kom�rka ziarnista (kora m�d�ku) 20 urn Rys. 1. Morfologia trzech typowych rodzaj�w neuron�w. Na rysunku nie pokazano pe�nej d�ugo�ci akson�w. Rozga��ziaj�cy si� akson kom�rek ziarnistych wyd�u�a si� na kilka centymetr�w we wszystkich kierunkach. Uwag� zwracaj� bardzo obfite rozga��zienia akson�w interneuron�w Kszta�t ka�dego drzewka dendrytycznego �wiadczy o efektywno�ci po- ��cze� synaptycznych neuronu i tym samym o jego funkcji. Kom�rki piramidalne, nazywane tak z powodu kszta�tu perikarionu, stanowi� 60% neuron�w w korze m�zgowej, a ich dendryty wraz z rozga��zie- niami kszta�tem przypominaj� tak�e piramidy. Inn� populacj� kom�rek w korze s� tak zwane kom�rki gwia�dziste, poniewa� ich dendryty uk�adaj� si� w kszta�t gwiazdy. Z kolei kom�rki Purkinjego w korze m�d�ku wyr�niaj� si� bardzo g�sto rozga��zion� sieci� dendryt�w tworz�cych dwuwymiarow� struktur�. Neurony mo�na tak�e klasyfikowa� na podstawie d�ugo�ci ich akso- n�w. Neurony jjrojekcjjne (inaczej nazywane neuronami g��wnymi, przeka�nikowymi lub neuronami Golgiego typu I) maj� d�ugie aksony, kt�re wyrastaj� poza obszar, w kt�rym ulokowane s� ich cia�a kom�r- kowe. Do tej kategorii nale�� kom�rki piramidalne i kom�rki Purkinjego. Natomiast^ntemeuronj (inaczej kom�rki wstawkowe lub neurony Gol- giego typu II) maj� kr�tkie aksony. Neurony te (np. kom�rki gwia�dzi- ste) nale�� do obwod�w lokalnych i wywieraj� bezpo�redni efekt tylko w obr�bie ich najbli�szego s�siedztwa. Analiza po��cze�, jakie tworz� neurony, pozwala na ich klasyfikacj� ze wzgl�du na funkcj�, kt�r� pe�ni�. Dany obszar uk�adu nerwowego otrzymuje sygna�y od neuron�w aferentnych (projekcja dochodz�ca) i wysy�a sygna�y przez neurony efergntne (projekcja wychodz�ca) do innych okolic uk�adu nerwowego lub do organ�w efektorowych (np. mi�nie lub gruczo�y). Neurony aferentne, kt�re tworz� po��czenia z receptorami czuciowymi lub same s� zdolne do odpowiadania wprost na bod�ce fizjologiczne, nazywane s� neuronami czuciowymi (lub zmy- 6 Sekcja A - Kom�rki nerwowe Q s�owymi). Neurony eferentne, kt�re tworz� synapsy na mi�niach szkie- letowych, nazywane s� neuronami ruchowymi (lub motoneuronami). Czasami termin neuron ruchowy stosuje si� do neuron�w projekcyjnych w uk�adzie ruchowym nawet wtedy, gdy nie tworz� one bezpo�rednich po��cze� z mi�niami. Neurony mo�na r�wnie� klasyfikowa� wed�ug rodzaju wydzielanych przez nie neuroprzeka�nik�w. Cz�sto wyst�puje wyra�na korelacja po- mi�dzy morfologi� neuron�w i typem neurosekrecji. Innymi s�owy, kszta�t neuronu stanowi wskaz�wk� pozwalaj�c� przewidzie�, jaki ro- dzaj przeka�nika jest przeze� wydzielany. Na przyk�ad neurony pirami- dalne wydzielaj� ^was_glutaminowy (neuroprzeka�nik pobudzaj�cy), podczas gdy kom�rki gwia�dziste i kom�rki Purkinjego wydzielaj� kwas gamma-aminomas�owy (G�BA; neuroprzeka�nik hamuj�cy). To z kolei stanowi bardzo wa�n� wskaz�wk� co do ich funkqi. Przytoczone infor- macje pokazuj� og�ln� prawid�owo��, �e mimo r�nych sposob�w kate- goryzowania neuron�w poszczeg�lne klasyfikacje nak�adaj� si� na siebie. Liczba neuron�w Ocena liczby neuron�w w uk�adzie nerwowym dokonywana jest po- - . przez zliczanie neuron�w zawartych w cienkich skrawkach tkanki ogl�danych w mikroskopie �wietlnym i poddanie tych danych analizie statystycznej. Ten spos�b pomiar�w pokazuje, �e u ludzi, a tak�e u in- nych ssak�w liczba neuron�w na jednostk� powierzchni kory m�zgowej jest sta�a w r�nych okolicach m�zgu i wynosi oko�o 80000 na mm2. Wyj�tkiem jest pierwszorz�dowa kora wzrokowa, w kt�rej g�sto�� neu- ron�w osi�ga warto�� 200 000 na mm2. Poniewa� ca�kowita powierzchnia kory m�zgu ma oko�o 2000 mm2, to mo�emy oszacowa�, �e zawiera ona oko�o 1,6 x 1011 kom�rek nerwowych. Najliczniejsz� populacj� kom�rek w uk�adzie nerwowym ssak�w stanowi� ma�e neurony ziarniste m�- d�ku; u cz�owieka mo�e ich by� oko�o l O11. St�d uk�ad nerwowy cz�o- wieka zawiera przynajmniej 2,5 x 1011 neuron�w; jest prawdopodobne, �e ca�kowita ich liczba wynosi od 300 do 500 miliard�w. Mniejsze ssaki maj� mniejsze m�zgi, poniewa� zawieraj� one mniej neuron�w, a nie dla- tego, �e ich neurony s� mniejsze. Sekcja A - Kom�rki nerwowe A3 BUDOWA SYNAPS CHEMICZNYCH Has�a Umiejscowienie synaps Struktura synapsy Rodzaje synaps Synapsy mog� by� elektryczne lub chemiczne. Kryterium klasyfikacji synaps chemicznych jest ich umiejscowienie na neuronie odbiera- j�cym sygna� (postsynaptycznym). Synapsy akso-dendrytyczne Jrworzone s� na dendrytach, synapsy akso-somatyczne.;� na ciele kom�rki nerwowej, a synapsy akso-aksonalne � na akson�ch ^ Tieuronu. Wi�kszo�� synaps to synapsy^akso^dendrytyczne. ^\ \ \, J ' hf ; - Synapsy akso-dendrytyczne s� tworzone pomi�dzy zako�czeniem aksonalnym neuronu presynaptycznego (przekazuj�cego sygna�) a dendrytem neuronu postsynaptycznego (odbieraj�cego sygna�). Szczelina synaptycz�aPomi�dzy tymi dwoma elementami ma szeroko�� oko�oy5?nm$ Zako�czenie aksonu zawiera mitochondria, okr�g�e p�cherzyki synaptyczne oraz beleczki ograniczaj�ce przestrzenie dla p�cherzyk�w w b�onie presynaptycznej. W szczelinie znajduj� si� bia�ka, kt�re ��cz� si� z b�on� pr�- lub postsynaptyczn�. B�ona postsynaptyczn� jest pogrubiona i tworzy tzw. zag�szczenie postsynaptyczne. ; :>,, > .-.--, ,� Wyr�nia si� dwa g��wne rodzaje synaps. Typ I to opisane wy�ej synapsy akso-dendrytyczne, kt�re s� przewa�nie synapsami pobudzaj�cymi. Synapsy typu II maj� znacznie s�abiej rozwini�t� struktur� beleczek ograniczaj�cych przestrzenie dla p�cherzyk�w, zawieraj� mniej bia�ek w szczelinie synaptycznej, a zag�szczenie postsynaptyczne jest cie�sze ni� w synapsach typu I. Tworzone s� pomi�dzy aksonem i cia�em neuronu, zawieraj� owalne p�cherzyki synaptyczne i pe�ni� zwy-kte rol� synaps hamuj�cych. Synapsy wydzielaj�celcatecholaminyilub bia�ka maj� du�e p�cherzyki wype�nione g�stym rdzeniem; niekt�re z nich cechuje r�wnie� odmienna budowa b�ony pr�- lub postsynaptycznej i grube zag�szczenie postsynaptyczne. Wiele synaps zawiera zar�wno ma�e przezroczyste p�cherzyki, jak i du�e wype�nione g�stym rdzeniem, co mo�e �wiadczy� o tym, i� neurony te wydzielaj� wi�cej ni� jeden rodzaj neuroprzeka�nika. Tematy pokrewne Szybkie przeka�nictwo synaptyczne (C2) Wolne przeka�nictwo synaptyczne (C3) Przetwarzanie informacji w siatk�wce (H5) Drogi w�chowe (J2) Przeka�nictwo noradrenergiczne (N2) Umiejscowienie synaps Przekazywanie sygna�u mi�dzy neuronami odbywa si� poprzez syna- psy. Wyr�nia si� dwa typy synaps, elektryczne i chemiczne, jednak synapsy chemiczne s� znacznie liczniejsze. Synapsy chemiczne tworzone Sekcja A - Kom�rki nerwo! Struktura synapsy s� przez dystalne zako�czenia akson�w neuronu przewodz�cego sygn kt�re stanowi� element presynaptyczny, oraz przez kt�ry� z elementc strukturalnych neuronu odbieraj�cego sygna�, b�d�cy elementem posts naptycznym. Przestrze� pomi�dzy zako�czeniem presynaptycznj i kom�rk� postsynaptyczn� nazywana jest szczelin� synaptyczn�. szeroko�� zale�y od natury synapsy i zawiera si� w przedziale od 20 500 nm. Synapsy mog� by� tworzone w ka�dym miejscu na kom�i odbieraj�cej sygna�. Lokalizacja stanowi podstaw� ich klasyfikaq'i. W kszo�� synaps tworzona jest na dendrytach. Na dendrytach kolczasty ka�dy kolec dendrytyczny jest miejscem docelowym docieraj�ce zako�czenia aksonalnego i stanowi element postsynaptyczny pojed) czej synapsy. Synapsy pomi�dzy aksonami i dendrytami nazywane synapsami ^aksoHdendrytycznym^. Szczeg�lnie silne przeka�nicfr sygna��w w uk�adzie nerwowym zachodzi w synapsach pomi�dzy aks nami i cia�em kom�rki postsynaptycznej. Synapsy te nazywane s� syna sami akso-somatycznymi, od wyra�enia soma, b�d�cego zamie� nazw� cia�a kom�rki. Synapsy mi�dzy zako�czeniami aksonalny: i aksonami neuronu postsynaptycznego to synapsy akso-aksonalne. Synapsy, z powodu ich ma�ych rozmiar�w, mo�na ogl�da� ty� w mikroskopie elektronowym. Taka obserwacja pozwala dostrzec wi< morfologicznych typ�w synaps, jednak ich podstawowe cechy s� wspi ne. Rysunek l przedstawia typow� synaps� akso-dendrytyczn�. MC przejrzyste p�cherzyki synaptyczne (SSV), zawieraj�ce neuroprzek� nik, s� okr�g�e, maj� �rednic� oko�o 50 nm i le�� rozrzucone w pobli mikrotubul, kt�re transportuj� je z cia�a kom�rki do b�ony presynaptyc nej. W pogrubionej b�onie presynaptycznej mo�na dostrzec, skierowa do wewn�trz, beleczki ograniczaj�ce przestrzenie dla p�cherzyk�w, sti ktury zaanga�owane w przekazywanie p�cherzyk�w do strefy akty nej, tj. obszaru b�ony kom�rkowej, w kt�rym nast�puje wydziel�: przeka�nika. Uwag� zwracaj� liczne mitochondria zawarte w zako�cz niu aksonalnym. Szczelina synaptyczna w synapsach akso-dendrytycznych ma szei ko�� 30 nm i zawiera filamenty bia�ka, kt�re rozci�gaj� si� od cz�ci pi synaptycznej do postsynaptycznej. S�u�y to utrzymaniu obu b�on blis siebie. 300 nm akson mitochondrium dendryt wypustka (odprowadzenie) zag�szczenie kom�rki glejowej postsynaptyczne Rys. 1. Struktura synapsy chemicznej (akso-dendrytycznej) p�cherzyk synaptyczny _ szczelina synaptyczna A3 - Budowa synaps chemicznych Rodzaje synaps B�ona kom�rkowa dendrytu w obszarze tworz�cym synaps� jest pogrubiona i tworzy zag�szczenie postsynaptyczne. Dzieje si� tak wsku- tek akumulacji receptor�w, enzym�w i innych bia�ek i ma prawdopodob- nie zwi�zek z generowaniem odpowiedzi kom�rki na docieraj�cy neuroprzeka�nik. ,. . . ................. Badania morfologiczne kory m�zgowej oraz kory m�d�ku pozwalaj� stwierdzi�, �e wi�kszo�� synaps nale�y do dw�ch g��wnych typ�w. Typ I stanowi� synapsy opisane wy�ej. Do typu II nale�� synapsy nie maj�ce wcale lub maj�ce bardzo s�abo wykszta�cone beleczki ograni- czaj�ce przestrze� dla p�cherzyk�w, zawieraj�ce bardzo ubogi materia� bia�kowy w w�skiej 20 nm szczelinie synaptycznej i charakteryzuj�ce si� cienkim zag�szczeniem postsynaptycznym. Synapsy te s� najcz�ciej synapsami akso-somatycznymi. Synapsy typu II zawieraj� owalne p�che- rzyki synaptyczne. Badania fizjologiczne wykaza�y, �e synapsy typu I s� najcz�ciej synapsami pobudzaj�cymi, a_synapsy-typu�II_-^- syjnapsami hamuj�cymi. Chocia� wi�kszo�� synaps zawiera SSV, to s� i takie, kt�re zawieraj� okr�g�e p�cherzyki charakteryzuj�ce si� du�� g�sto�ci� elektronow� w ich centrum (rys. 2). P�cherzyki te nazywane s� du�ymi p�cherzykami o g�stym rdzeniu (LDCV) i w zale�no�ci od rozmiar�w nale�� do dwu populacji. Te o �rednicy 40-60 nm znajdowane s� w neuronach wy- dzielaj�cych (^katecholaminy, podczas gdy p�cherzyki o rozmiarach 120-200 nm s� obecne w kom�rkach neurosekrecyjnych tylnego p�ata przysadki, wydzielaj�cych hormony bia�kowe. Niekt�re synapsy nie maj� wyspecjalizowanych stref kontaktu w cz�ci pr�- i postsynaptycz- nej, a ich szczeliny synaptyczne s� bardzo szerokie (100-500 nm). Te synapsy, to cz�sto synapsy katecholaminergiczne (neuroprzeka�nikiem w nich jest jedna z katecholamin), zawieraj�ce du�e p�cherzyki o g�stym rdzeniu. Znajduje si� je zar�wno w o�rodkowym, jak i obwodowym uk�adzie nerwowym. dendryt maty przezroczysty p�cherzyk akson du�y p�cherzyk o g�stym rdzeniu Rys. 2. Synapsa typu l zawieraj�ca zar�wno ma�e przezroczyste p�cherzyki, jak i du�e p�cherzyki o g�stym rdzeniu Sekcja A - Kom�rki nerwo Wiele synaps zawiera wi�cej ni� jeden rodzaj p�cherzyk�w. SSV powszechnie znajdowane wraz z LDCV w tym samym zako�cz�: aksonalnym. Stanowi to oczywisty strukturalny dow�d na to, i� wi neuron�w wydziela nie jeden, lecz kilka r�nych neuroprzeka�nik�v R�norodno�� synaps jest znacznie wi�ksza ni� opisana wy�ej. W r kt�rych wyspeqalizowanych obszarach m�zgu znajdowane s� synaj znacznie r�ni�ce si� od typowych rodzaj�w. Nale�� do nich na przyk triady synaptyczne w siatk�wce (por. temat H5) i wzajemne synaj w opuszce w�chowej (temat J2), kt�re na zako�czeniach wydziel monoaminy (temat �2). Te wyj�tkowe synapsy s� opisane bard; szczeg�owo w odpowiednich sekcjach podr�cznika. Sekcja A - Kom�rki nerwowe A4 KOM�RKI GLEJOWE i PROCES MIELINIZACJI Has�a Rodzaje kom�rek glejowych Kom�rki glejowe wykonuj� r�ne funkcje wspomagaj�ce dzia�anie neuron�w. Ich liczba jest wi�ksza ni� kom�rek nerwowych. Kom�rki glejowe s� zaliczane do trzech g��wnych populacji: astrocyt�w, oligodendrocyt�w (wraz z obwodowymi kom�rkami Schwanna) i mikrogleju. , �.,; ,. ..,;... ,,r..... -;..-a �., ,�� . �- Aistrocyty Astrocyty to du�e, licznie wyst�puj�ce kom�rki glejowe o gwia�dzistym kszta�cie, kt�re maj� d�ugie wypustki zako�czone rozszerzeniem zwanym stopk� ss�c�. Pokrywaj� one synapsy, kontaktuj� si� z kom�rkami nab�onkowymi naczy� w�osowatych oraz z opon� mi�kk�, gdzie tworz� b�on� glejowa graniczn� zewn�trzn�. Do zada� astrocyt�w nale�y regulacja zewn�trz- _kgm�rkowego st�enia jon�w K+, usuwanie neuroprzeka�nika ze szczeliny synaptycznej, zapewnienie zaopatrzenia neuron�w w glukoz� oraz tworzenie si� bariery krew-m�zg. i ' Oligodendrocyty i kom�rki Schwanna Mikroglej Oligodendrocyty w o�rodkowym uk�adzie nerwowym (OUN) i kom�rki Schwanna w obwodowym uk�adzie nerwowym bior� udzia� w tworzeniu os�onki mielinowej otaczaj�cej wiele akson�w. Os�onka jest tworzona przez mezakson kom�rki glejowej i owija si� wielokrotnie wok� aksonu. Wzd�u� aksonu, w regularnych odst�pach, os�onka traci swoj� ci�g�o��, tworz�c w�skie przerwy zwane przew�eniami jtejwj�ra.W tych miejscach b�ona kom�rkowa aksonu jest nieos�oni�ta. Mikroglej to ma�e fagocytarne kom�rki o charakterze immunologicznym pochodz�ce od makrofag�w. Namna�aj� si� one w stanach zapalnych, a ich zadaniem jest naprawa uszkodze� uk�adu nerwowego. Tematy pokrewne Bariera krew-m�zg (A5) Potencja� spoczynkowy (Bl) Przewodzenie potencja�u czynno�ciowego (B5) Inaktywacja neuroprzeka�nika (C7) Rodzaje Uk�ad nerwowy opr�cz neuron�w zawiera tak�e kom�rki glejowe (z gre- kom�rek ckiego: glia; klej). Uwa�a si�, �e tkanka glejowa nie jest bezpo�rednio glejowych zaanga�owana w przetwarzanie informacji w uk�adzie nerwowym, a jej podstawowym zadaniem jest spe�nianie r�norodnych czynno�ci wspo- 12 Sekcja A - Kom�rki nerwowe l magaj�cych dzia�anie neuron�w. Badania szacunkowe wskazuj�, �e w uk�adzie nerwowym jest 10 razy wi�cej kom�rek glejowych ni� kom�- rek nerwowych. Zaskakuj�cy wynik tych pomiar�w oznacza, �e g�sto�� kom�rek w tkance nerwowej jest nadzwyczaj du�a, a m�zg spo�r�d wszystkich narz�d�w cia�a ma najmniejsz� obj�to�� przestrzeni mi�dzy- kom�rkowej. Kom�rki glejowe dziel� si� na dwie g��wne klasy: makro- g�ej i mikroglej . W makrogleju wyr�nia si� kilka odr�bnych populacji kom�rek: astrocyty, oligodendrocyty i kom�rki Schwanna. Astrocyty Astrocyty s� najwi�kszymi i najliczniejszymi spo�r�d kom�rek glejo- f wych. Cechuj� si� nieregularnym kszta�tem cia�a kom�rkowego oraz bar- dzo licznymi wypustkami, kt�re pokrywaj� dendryty neuron�w. Astro- cyty mo�na bardzo �atwo odr�ni� od neuron�w, poniewa� nie zawieraj� one cia�ek Nissla. Ponadto mo�emy je zidentyfikowa�, stosuj�c T3arwienie immunocytochtemiczne z wykorzystaniem przeciwcia�a rozpoznaj�cego kwa�ne \w��kienkowe_bia�ko glejowe (GFAP),, specyficzny marker astro- cyt�w. Kom�rki te wype�niaj� niemal ca�� przestrze� pomi�dzy neuro- nami, pozostawiaj�c niewielkie przestrzenie o rozmiarach nie wi�kszych ni� 20 nm. Wypustki astrocyt�w otaczaj� synapsy. Niekt�re z wypustek maj� na ko�cu rozszerzenia - stopki ss�ce, przylegaj�ce do naczy� w�o- sowatych lub do opony mi�kkiej (najbardziej wewn�trznej opony m�zgu, por. temat E5) i w ten spos�b tworz� warstw� pokrywaj�c� powierzch- ni� rdzenia kr�gowego i m�zgu, zwan� b�on� glejow� graniczn� we- wn�trzn�. Astrocyty pe�ni� bardzo r�norodne funkcje: � Du�a aktywno�� neuron�w powoduje gromadzenie si� nadmiernych ilo�ci jon�w K+ w przestrzeni mi�dzykom�rkowej. Astrocyty pobieraj� nadmiar jon�w K+ i przekazuj� je do obszar�w o ma�ym st�eniu. S�siaduj�ce z sob� astrocyty komunikuj� si� poprzez z��cza szczeli- nowe, dzi�ki czemu tworz� po��czon� sie�, mog�c� przenosi� jony K4 na ca�kiem du�� odleg�o��. Wi�kszo�� z nadmiaru jon�w K+ jest prze- noszona ze stopek ko�cowych, poprzez b�on� glejow� graniczn�, do �wiat�a naczy� w�osowatych. To przestrzenne buforowanie jon�w potasu zapewnia ich w�a�ciwe st�enie we wn�trzu neuron�w. � Otaczaj�c �ci�le synapsy, astrocyty pe�ni� dwie wa�ne funkcje regu- luj�ce neuroprzeka�nictwo. Po pierwsze, stanowi� zapor� zapobie- gaj�c� dyfuzji neuroprzeka�nika poza szczelin� synaptyczn�. Po dru- gie, b�ona kom�rkowa astrocyt�w zawiera specyficzne bia�ka transpor- towe, wi���ce z du�ym powinowactwem neuroprzeka�niki i przeno- sz�ce je do wn�trza kom�rki astrocytarnej. Te dwa procesy maj� prze- ciwstawny wp�yw na to, jak d�ugo neuroprzeka�nik pozostaje w szcze- linie synaptycznej, a tym samym reguluj� si�� pobudzenia. � Astrocyty mog� tak�e odgrywa� rol� w zaopatrywaniu neuron�w w glukoz�. W astrocytach s� obecne transportery glukozy, dzi�ki kt�- rym jest ona przenoszona do wn�trza^str��ytow"Tmagazynowana w postaci glikogenu. Prawdopodobnie glukoza jest r�wnie� uwalniana z astrocyt�w i dostarczana neuronom, gdy s� one bardzo aktywne i do dzia�ania potrzebuj� znacznie wi�kszej jej ilo�ci, ni� mo�e to zapewni� transport poprzez barier� krew-m�zg. � A4 - Kom�rki glejowe i proces mielinizacji 13 Stopki ss�ce astrocyt�w, wchodz�ce w kontakt z kom�rkami nab�on- kowymi naczy� w�osowatych, wymuszaj� tworzenie jedynie bardzo w�skich przew�e� pomi�dzy kom�rkami, co jest istotn� cech� bariery krew-m�zg (temat A5). Oligodendrocyty i kom�rki Schwanna W sk�ad tkanki glejowej wchodz� tak�e kom�rki glejowe sk�powypu- stkowe (oligodendrocyty) wyst�puj�ce w m�zgowiu i ich odpowiedniki w uk�adzie obwodowym, czyli kom�rki Schwanna. Wsp�ln� ich cech� jest tworzenie os�onki mielinowej, b�d�cej elektrycznym izolatorem akson�w. Aksony pokryte t� os�onk� nazywane s� aksonami zmielinizo- wanymi, za� te, kt�re jej nie maj�, to aksony bezmielinowe. Os�onka mielinowa w obwodowym uk�adzie nerwowym tworzy si� w nast�- puj�cy spos�b. Kom�rki Schwana uk�adaj� si� wzd�u� aksonu i otaczaj� go podobn� do pseudopodium struktur� zwan�^mezaksoneiiiJW neuro- l nach bezmielinowych proces ten nie post�puje dalej. W neuronach zmie- % linizowanych mezakson owija si� spiralnie wok� aksonu od 8 do 12 razy. W trakcie tego otulania wi�kszo�� cytoplazmy zostaje wyci�ni�ta z powrotem do g��wnego �wiat�a kom�rki (z wyj�tkiem najbardziej wewn�trznej warstwy), wobec czego niemal wszystkie warstwy sk�adaj� si� z podw�jnej b�ony plazmatycznej (por. rys. T). Pojedyncza kom�rka Schwanna otacza mielin� odcinek aksonu d�ugo�ci od 0,15 do 1,5 mm. Najog�lniej, istnieje zale�no��, �e im grubszy akson, tym d�u�szy jest odcinek mielinizowany przez pojedyncz� kom�rk� Schwanna. Pomi�dzy s�siaduj�cymi ze sob� os�oni�tymi odcinkami aksonu wyst�puj� w�skie (0,5 (im), nieotulone fragmenty aksonu zwane przew�eniami Ranviera. W miejscach tych b�ona aksonu kontaktuje si� bezpo�rednio z prze- strzeni� mi�dzykom�rkow�. Poniewa� nerwy obwodowe bywaj� cz�sto bardzo d�ugie, potrzeba czasami kilkuset kom�rek Schwana, aby wytwo- rzy� os�onk� mielinowa na tych aksonach. �rednica zmielinizowanych akson�w jest r�na i zawiera si� w przedziale od 3 do 15 (im, jednak na zr�nicowanie to nie sk�ada si� udzia� os�onki mielinowej, gdy� jej gru- bo�� jest zwykle sta�a. kom�rka Schwanna akson Rys. 1. Tworzenie os�onki mielinowej na aksonie w obwodowym uk�adzie nerwowym. Os�onka jest wytwarzana przez wzrost mezaksonu, kt�ry zawija si� wielokrotnie na aksonie '� 14 Sekcja A - Kom�rki nerw Mikroglej Proces mielinizacji w o�rodkowym uk�adzie nerwowym przeb bardzo podobnie. Wyj�tek stanowi zdolno�� oligodendrocyt�w do twarzania kilku wypustek, dzi�ki czemu mog� one tworzy� os�onk kilku s�siaduj�cych aksonach. Oznacza to, �e w m�zgowiu potr/ mniej kom�rek do zmielinizowania akson�w, co zapewnia oszcz�d�; przestrzeni i tak mocno ograniczonej w o�rodkowym uk�adzie ner wy m. Stwardnienie rozsiane jest post�puj�c� chorob� zwyrodnienie kt�r� cechuje zanikanie fragment�w os�onki mielinowej na aksor o�rodkowego i obwodowego uk�adu nerwowego. S�dzi si�, �e jes choroba iautoimmunologiczna, w kt�rej uk�ad odporno�ciowy wadli rozpoznaje jedno lub kilka bia�ek wchodz�cych w sk�ad os�onki miel wej jako obce. Efektem tych uszkodze� jest zaburzone rozchodzenie potencja�u czynno�ciowego. Inn� chorob� o podobnej etiologii jest zes Guillaina-Barrego. Tu r�wnie� dochodzi do uszkodzenia os�onki m nowej akson�w w obwodowych neuronach czuciowych i ruch�w1 jednak, szcz�liwie, w chorobie tej odbywa si� spontaniczne odtwarz; uszkodze�. Mikroglej to najmniejsze kom�rki tkanki glejowej nazywane te� ko� karni �odgruzowywania" lub neurofagami. S� one sk�adnikami uk� ^odporno�ciowego i wywodz� si� z makrofag�w. Wykazuj� zdolr poch�aniania produkt�w rozpadu tkanki nerwowej, namna�ania c poruszania si�. Uaktywniaj� si� w r�norodnych stanach zapalnych, \ kodzeniach i guzach m�zgu. Tworzenie si� blizn tkankowych w m�2 wiu jest efektem aktywacji i namna�ania si� mikrogleju. Proces ten i nazw� glejozy. Sekcja A - Kom�rki nerwowe A5 BARIERA KREW-M�ZG Has�a u* Budowa bariery krew-m�zg Barier� krew-m�zg tworz� g��wnie kom�rki nab�onkowe naczy� w�osowatych, kt�re s� po��czone przez z��cza �cis�e, charakteryzuj�ce si� niezwykle du�� oporno�ci� elektryczn�. Astrocyty oko�onaczyniowe pobudzaj� kom�rki nab�onka naczy� do tworzenia �cis�ych z��czy i indukuj� syntez� enzym�w swoistych dla bariery krew-m�zg. Kilka obszar�w w m�zgu, tzw. narz�dy _okp�okomorowe, nie ma bariery krew-m�zg. Mog� one wydziela� substancje wprost do krwi lub kontrolowa� st�enie sk�adnik�w krwi. Obszary te s� odizolowane od pozosta�ej cz�ci m�zgowia przezltanocyty) kt�re ��cz� si� ze sob� poprzez z��cza �cis�e. Dzia�anie bariery krew-m�zg Bariera krew-m�zg jest tworem o niezwykle selektywnej przepuszczalno�ci, umo�liwiaj�cej przechodzenie do m�zgu: wody, J niekt�rych gaz�w oraz substancji rozpuszczalnych w t�uszczach � ' na zasadzie dyfuzji biernej^ Zawiefa tak�e system transporter�w s�u��cych seiektywneimTprzenoszeniu cz�steczek, takich jak glukoza i aminokwasy, wa�nych dla funkcjonowania neuron�w. Jej obecno�� zapobiega przechodzeniu do m�zgowia substancji neuroaktywnych, np. substancji lipofilnych, mog�cych by� potencjalnymi neurotoksynami. S�u�y temu aktywny mechanizm transportu, w kt�rym po�rednicz� glikoprpteiny P. Odma m�zgowa jest skutkiem nadmiernej akumulacji wody w przestrzeni pozakom�rkowej m�zgu i pojawia si� w�wczas, gdy wskutek niedotlenienia dochodzi do uszkodzenia bariery krew-m�zg. f Tematy pokrewne Budowa o�rodkowego uk�adu nerwowego (E2) Opony m�zgowia i p�yn m�zgowo-rdzeniowy (E5) Funkcje tylnego p�ata przysadki (M2) Budowa bariery krew-m�zg Bariera krew-m�zg reguluje bardzo �ci�le przechodzenie substancji z krwi do p�ynu zewn�trzkom�rkowego w m�zgowiu. Fizycznie tworz� j� kom�rki nab�onkowe naczy� w�osowatych, po��czone ze sob� po- przez z��cza �cis�e, cechuj�ce si� niezwykle du�� oporno�ci� elek- tryczn� (ok. 1000 om/cm2; warto�� rezystancji 100-krotnie wi�ksza ni� w z��czach �cis�ych innych naczy� w�osowatych). Oznacza to, �e nawet bardzo ma�e jony nie s� w stanie przenika� pomi�dzy kom�rkami nab�onkowymi naczy� w�osowatych. Ponadto, kom�rki nab�onkowe naczy� w�osowjf^brn�ygjf nie maj� dw�ch wa�nych mechanizm�w S) \ transportu poprzez b�ony, obecnych w innych naczyniach w�osowatych. 16 Sekcja A - Kom�rki nerwo W kom�rkach tych nie wyst�puj� p�cherzyki pinocytarne, pozwalaj, przenosi� ogromn� wi�kszo�� p�yn�w poprzez cytoplazm� kom�rki. I zachodzi te� w nich endocytoza z udzia�em receptor�w, mechanis dzi�ki kt�remu r�norodne substancje, np. lipoproteiny, s� specyficz transportowane w innych kom�rkach. Naczynia w�osowate m�zgu bardzo �ci�le pokryte przez stopki ko�cowe astrocyt�w, kt�re wydziel czynniki (dotychczas nie zidentyfikowane) pobudzaj�ce kom�rki nab� kowe do tworzenia bardzo �cis�ych z��czy mi�dzy nimi (rys. T). W kilku okolicach m�zgu naczynia w�osowate maj� nieco lu�niej struktur� i nie tworz� tam bariery krew-m�zg. Te obszary to narz� oko�okomorowe (ang. circunwentricular organs, CVO), do kt�rych n; �� tylrrj/_p�at przysadki oraz splot naczyni�wkowy wy�cie�aj�cy �ci< bocznych kom�r~rnozgu, a tak~ze~grzbietowa cz�� trzeciej i czwa komory. Po�o�enie CVO pokazano na rysunku l, w temacie M2. Obsz te s� izolowane od reszty m�zgu przez wyspecjalizowane komo wy�ci�ki (kom�rki nab�onkowe wy�cie�aj�ce komory m�zgu) zw tanocytami. Tanocyty s� po��czone ze sob� poprzez z��cza �cis�e skutt nie uszczelniaj�ce kontakt mi�dzy CVO a reszt� m�zgu. Brak bari krew-m�zg w tylnym p�acie przysadki umo�liwia wydzielanie jego \ mon�w.� wazopresyny i oksytocyny, bezpo�rednio do krwiobk a w innych miejscach � kontrolowanie przez m�zg st�enia we jon�w i niekt�rych cz�steczek, co wspomaga homeostaz�. W�a�ciwi splotu naczyni�wkowego s� opisane w temacie E5. j�dro kom�rki nab�onkowej z��cze �cis�e pomi�dzy kom�rkami nab�onkowymi mitochondrium �wiat�o naczynia w�osowatego b�ona podstawna neuryt stopka ko�cowa astrocytu Rys. 1. Elementy strukturalne bariery krew-m�zg. Bariera jest tworzona przez zte �cis�e pomi�dzy kom�rkami nab�onkowymi Dzia�anie bariery krew-m�zg B�ona cytoplazmatyczna kom�rek nab�onkowych, podobnie jak bl innych kom�rek, sk�ada si� z dwuwarstwy lipidowej, w kt�rej zanur2 s� r�norodne bia�ka. Lipidowe sk�adniki b�ony kom�rek nab�onkom eliminuj� jony lub cz�steczki o �adunku elektrycznym oraz niemal w stkie (z wyj�tkiem najmniejszych) cz�steczki polarne. Jedynie woda, ? rozpuszczalne w wodzie lub lipidach (np. odpowiednio, tlen lub li anestetyki) oraz substancje lipofilne (np. steroidy) mog� przecho przez t� barier�. Transport jon�w, cz�steczek na�adowanych lub pc A5 - Bariera krew-m�zg 17 V ' z wykorzystaniem nych mo�e si� odbywa� jedynie no�nik�w po�rednicz�cych w transporcie. Wiele bia�ek w cytoplazmaty- cznych kom�rkach nab�onkowych to bia�ka transporterowe lub sk�adniki kana��w jonowych s�u��ce temu transportowi. Selektywna przepuszczalno�� bariery krew-m�zg chroni m�zgowie przed dzia�aniem substancji neuroaktywnych kr���cych we krwi, np. katecholamin lub glutaminianu, i zapewnia dost�p do wa�nych funkcjo- nalnie substancji, takich jak glukoza i aminokwasy. Bariera krew-m�zg jest w stanie czynnie eliminowa� wiele substancji lipofilnych, kt�re, mimo i� cz�sto s� sk�adnikami naturalnej diety, mog� by� potencjalnymi neurotoksynami. Do tego celu s�u�� bia�ka transporterowe,jgliko?rotej^ iriyJE^ kt�rych st�enie w b�onie cytoplazmatycznej kom�rek~nab�onE�- wych jest bardzo du�e. Toksyny lipofilne, kt�re dyfunduj� do wn�trza kom�rek nab�onkowych, s� natychmiast wypompowywane z powrotem do krwi przez glikoproteiny P. Niestety wiele kom�rek nowotworowych w m�zgu tak�e syntetyzuje glikoproteiny P, przez co s� one zdolne usu- wa� zwi�zki chemoterapeutyczne podawane w trakcie leczenia. Zjawi- sko to nazywane jest oporno�ci� wielolekow� i t�umaczy cz�sto niesku- teczno�� chemioterapii (w_pj^^a^ku _ Bariera krew-m�zg traci swoj� szczelno�� wskutek niedotlenienia. Prowadzi to do niebezpiecznej klinicznie cytotoksycznej odmy m�zgo- wej. Brak tlenu jest przyczyn� obni�enia poziomu ATP w kom�r- kach nab�onkowych i w konsekwencji zaburzenia funkcji enzymu Na+/K+-ATPazy (por. Kr�tkie wyk�ady. Biochemia wyd. 2.). Wskutek usz- kodzenia pompy sodowo-potasowej wewn�trz kom�rki nagromadzaj� si� jony Na+, co powoduje osmotyczne przenikanie wody, puchni�cie kom�rek, rozerwanie z��czy �cis�ych oraz nap�yw jon�w i wody do prze- strzeni mi�dzykom�rkowej w m�zgu. Sekcja B - Podstawy elektrofizjologii 11 POTENCJA� SPOCZYNKOWY Has�a W�a�ciwo�ci pobudliwe Rejestracja wewn�trz- kom�rkowa Potencja� spoczynkowy W wyniku pobudzenia w kom�rkach pobudliwych powstaje potencja� czynno�ciowy � kr�tkie odwr�cenie elektrycznej polaryzacji b�ony kom�rkowej. Do kom�rek pobudliwych nale�� neurony i kom�rki mi�niowe. Jest to metoda pomiaru r�nicy potencja��w pomi�dzy obu stronami b�ony kom�rkowej. W metodzie tej stosuje si� cienk� mikropipet� wype�nion� elektrolitem, kt�rej koniec wprowadza si� poprzez b�on� do wn�trza kom�rki. Sygna� wyj�ciowy z mikroelektrody jest odbierany przez wzmacniacz, por�wnywany z sygna�em z elektrody odniesienia i przekazywany do oscyloskopu lub komputera w celu wy�wietlenia, zapisu i analizy. Potencja� spoczynkowy to r�nica napi�cia mi�dzy obu stronami b�ony plazmatycznej niepobudzonej kom�rki pobudliwej. Wszystkie napi�cia na b�onie wyra�a si� jako stosunek potencja�u wn�trza V^ kom�rki do potencja�u po stronie zewn�trznej. Potencja�y 2_ spoczynkowe maj� warto�ci ujemne, kt�re w kom�rkach nerwowych wahaj� si� mi�dzy[^65jnV a -90_mV/ Powstanie potencja�u spoczynkowego jest spowodowane przede wszystkim tendencj� jon�w potasu do przep�ywania zgodnie z gradientem st�enia tych jon�w z wn�trza na zewn�trz b�ony kom�rki. Powoduje to pozostanie niewielkiego nadmiaru �adunk�w ujemnych po wewn�trznej stronie b�ony. Inne jony (np. sodu) jedynie w niewielkim stopniu wp�ywaj� na warto�� potencja�u spoczynkowego. Si�a elektrochemiczna, powoduj�ca ruch jonu poprzez b�on� kom�rkow�, jest r�nic� mi�dzy potencja�em spoczynkowym a potencja�em r�wnowagi dla danego jonu. Potencja� r�wnowagi jonu jest to taki potencja�, przy kt�rym wyp�yw tego rodzaju jon�w z kom�rki jest r�wny ich wp�ywowi do jej wn�trza. Potencja�y r�wnowagi dla poszczeg�lnych jon�w mo�na obliczy� stosuj�c r�wnanie Nernsta. Potencja�y spoczynkowe mo�na obliczy� stosuj�c r�wnanie Goldmana, kt�re uwzgl�dnia wszystkie zaanga�owane rodzaje jon�w. Tematy pokrewne Potencja� czynno�ciowy (B2) Szybkie przeka�nictwo synaptyczne (C2) W�a�ciwo�ci Mi�dzy obu stronami b�ony plazmatycznej, otaczaj�cej ka�d� kom�rk�, pobudliwe istnieje okre�lona r�nica potencja�u elektrycznego. Niekt�re rodzaje kom�rek nosz� nazw� pobudliwych, poniewa� w wyniku odpowied- niego pobudzenia s� one w stanie wytworzy� gwa�town�, kr�tk� zmian� 20 Sekcja B - Podstawy elektrofizjoli potencja�u elektrycznego, przenosz�c� si� po powierzchni kom�rki, kt nosi nazw� potencja�u czynno�ciowego. Do kom�rek pobudliwych nale�� neurony, kom�rki mi�ni szkieletowych i g�adkich, mi�nia serco- wego, niekt�re kom�rki wewn�trzwydzielnicze (np^kom�rki B wyd; % �aj�ce insulin�) oraz (przez kr�tki okres) niekt�remocym R�nica p� cja�u elektrycznego wyst�puj�ca mi�dzy obu stronami b�ony kom�rki pobudliwej, wtedy gdy nie jest ona pobudzona, nosi nazw� potencja�u spoczynkowego. Rejestracja Dla zrozumienia mechanizmu dzia�ania i interakcji kom�rek nerw�w wewn�trz- oraz mi�niowych zasadnicze znaczenie ma bezpo�redni pomiar po) kom�rkowa cja��w spoczynkowych, potencja��w czynno�ciowych i innych poi q'a��w wyst�puj�cych w tych kom�rkach. Standardow� technik�, umo�- liwiaj�c� pomiar potencja��w b�onowych w pojedynczych kom�rkach jest rejestracja wewn�trzkom�rkowa. Aby zarejestrowa� r�nic� potencja��w po obu stronach b�ony, koi czne jest zastosowanie dw�ch elektrod; jednej umieszczonej wewn; kom�rki, a drugiej � na zewn�trz. Obie elektrody pod��cza si� urz�dzenia mierz�cego r�nic� napi�cia (rys. 1). Poniewa� kom�rki i wowe s� ma�e, czubek mikroelektrody wprowadzanej do wn�trza r ronu musi by� bardzo cienki. Mikropipety szklane wytwarza si� w ���.��'-� spos�b, aby �rednica ich ko�ca by�a mniejsza ni� l (im. Mikropij wype�nia si� roztworem elektrolitu (najcz�ciej KC1 w st�a ; 0,15-3,0 M) i w ten spos�b powstaje mikroelektroda. Napi�cie na b�c jest na og� mniejsze ni� 0,1 V i z tego powodu musi by� wzmacni " ' ' przez wzmacniacz operacyjny. Wzmacniacz ma wej�cie z mikroelektri wprowadzonej do wn�trza kom�rki, a tak�e z elektrody odniesie (oboj�tnej), umieszczonej w roztworze otaczaj�cym kom�rk�. Je�eli nie ma r�nicy potencja��w mi�dzy mikroelektrod� a elektrod� odniesie to sygna� na wyj�ciu wzmacniacza b�dzie wynosi� zero. Je�eli natom wyst�puje taka r�nica potencja��w, to wzmacniacz generuje sygna�, l rego wielko�� jest proporcjonalna do potencja�u. Sygna� wyj�ciow} wzmacniacza jest przesy�any do odpowiedniego urz�dzenia i struj�cego, kt�rym dawniej by� oscyloskop katodowy. Obecnie stosuj* w tym celu przetworniki analogowo-cyfrowe, po��czone z komputer wyposa�onymi w programy emuluj�ce oscyloskop i umo�liwia wy�wietlanie, zapisywanie i analiz� danych do�wiadczalnych. b�ona plazmatyczna neuronu drut Ag/AgCI wzmacniacz oscyloskop operacyjny katodowy U elektroda odniesienia mikroelektroda szklana Rys. 1. Obw�d stosowany w rejestracjach wewn�trzkom�rkowych B1 - Potencja� spoczynkowy 21 Potencja� Potencja� spoczynkowy (Vsp) powstaje w efekcie istnienia r�nicy st�e� spoczynkowy jon�w mi�dzy wn�trzem a �rodowiskiem zewn�trznym kom�rki, a tak�e dlatego, �e b�on� kom�rkow� cechuje odmienna przepuszczalno�� dla r�nych jon�w. W tabeli l zamieszczono warto�ci st�enia tych jon�w, kt�re maj� najistotniejsze znaczenie w ustalaniu potencja�u spoczyn- kowego. Tabela 1. St�enie jon�w po obu stronach b�ony neuronu ssaka (mmol � l~1) Jon �rodowisko zewn�trzkom�rkowe Aksoplazma K+ . 2,5 ....... - 115 Na+ '�'" '� 145 - > ' ������� ' �'�� 14 ca- .'.'� : � v.- � .�:�'- � , -:> -!��.�� �� -. 90 6 Na p�yn mi�dzykon^�rkowy,jv^t�ryjnznajduj� si� kom�rki, sk�ada , si� przede wszystkim roztwf�rmhiorkiTsod^l W przeciwie�stwie do tego, ' p�yn wewn�trzkom�rkowy zawiefaTo�� du�e st�enie jon�w potaso- wych, r�wnowa�one przez rozmaite aniony, dla kt�rych b�ona kom�r- kowa jest zupe�nie nieprzepuszczalna (nie wymienione w tabeli l aniony to kwasy organiczne, siarczany, fosforany, niekt�re aminokwasy i bia�ka). B�ona kom�rkowa jest przepuszczalna dla K+, a poniewa� po obu stronach b�ony istnieje r�nica (gradient) st�enia jon�w K+, powsta- je ki�a dyfuzy|njj| powoduj�ca wyp�ywanie jon�w K+ na zewn�trz ko- morSTJn/�.!"2). Jednak�e b�ona kom�rkowa jest nieprzepuszczalna dla du�o wi�kszych amon�w, kt�re w zwi�zku z tym pozostaj� wewn�trz kom�rki. W miar� wyp�ywania jon�w potasowych na zewn�trz wytwa- rza si� r�nica potencja��w po obu stronach b�ony, poniewa� �adunki niekt�rych wewn�trzkom�rkowych anion�w nie s� ju� d�u�ej neutralizo- wane przez jony K+. Powsta�a r�nica potencja��w oznacza istnienie si�y elektrostatycznej, kt�rej dzia�anie przeciwdzia�a dalszemu wyp�ywaniu wewn�trz b�ona kom�rkowa zewn�trz O �.0 � o . s'a v~t i dyfuzyjna dla L W �o" AM/ si�a " elektrostatyczna Rys. 2. Ilustracja sposobu, w jaki powstaje potencja� r�wnowagi. Niewielka r�nica potencja��w po obu stronach b�ony istnieje wtedy, gdy si�a dyfuzji r�wnowa�y si� z si�� elektrostatyczn�. Ma�e czarne k�ka oznaczaj� jony K+, a du�e, niezaczernione k�ka � aniony 22 Sekcja B - Podstawy eiektrofizji jon�w potasu. Po pewnym czasie dochodzi do zr�wnowa�enia si�y zyjnej powoduj�cej wyp�ywanie jon�w K+ z si�� elektrostatyczn�, ciwdzia�aj�c� wyp�ywaniu K+. W tym stanie r�wnowagi istnieje okre�lona r�nica potencj nosz�ca nazw� potencja�u r�wnowagi, a wyp�ywanie jon�w z koi jest zr�wnowa�one ich nap�ywaniem do wn�trza (przep�yw nett r�wny zeru). Je�eli potencja� ten powstaje na skutek przemieszcze� jon�w K+, to b�dzie on nosi� nazw� potencja�u r�wnowagi dla p (EK). W typowych kom�rkach nerwowych potencja� r�wnowag potasu wynosi oko�o^-90 mY^Nale�y tu zwr�ci� uwag� na trzy is punkty: " ' � Napi�cie na b�onie jest zawsze mierzone jako potencja� wn�trz m�rki w stosunku do potencja�u �rodowiska zewn�trzkom�rkoi kt�rego warto�� przyjmuje si� za r�wn� zeru. A wi�c, Eic = -9l oznacza, �e wn�trze kom�rki jest ujemne w^ stosunku do p�yn wn�trzkom�rkowego. � Liczba jon�w, kt�re przep�ywaj� poprzez b�on� i ustalaj� pot r�wnowagi, jest bardzo ma�a. � R�nica potencja��w wyst�puje tylko w pobli�u b�ony plazmaty kt�ra gromadz�c �adunek elektryczny zachowuje si� jak kondens; Potencja�y r�wnowagi mo�na obliczy�, stosuj�c r�wnanie Nern; E=(RT/zF)lnCz/Cw gdzie: R � uniwersalna sta�a gazowa, T � temperatura bezwzgl 2 � warto�ciowo�� jonu, F � sta�a Faradaya, Cz i Cw � odpowie zewn�trz- i wewn�trzkom�rkowe st�enie danego jonu. Warto�� potencja�u r�wnowagi potasu jest bliska warto�ci potei spoczynkowego (VSp) kom�rek pobudliwych. Wskazuje to, �e Vsp staje g��wnie w wyniku przep�ywu i rozmieszczenia jon�w potai obu stronach b�ony kom�rkowej. Potencja� spoczynkowy kom�rel wowych wynosi od(^65_jnV do(-^80)mV. R�nica mi�dzy EK powstaje pod wp�ywem jon�w innycfi ni� potasu, maj�cych odm potencja�y r�wnowagi. Spo�r�d nich najwa�niejsze s� jony (ENa = +55 mV), ale poniewa� wzgl�dna przepuszczalno�� b�on jon�w sodu jest ma�a, ich udzia� w ustalaniu warto�ci Vsp jest niev Efektem wyst�powania okre�lonej przepuszczalno�ci dla Na+ jest suni�cie potenq'a�u spoczynkowego od EK w kierunku ENB o wj wynikaj�c� ze stosunku wzgl�dnej przepuszczalno�ci dla obu jon�w. R�nica mi�dzy potencja�em spoczynkowym a potencja�em nowagi dla danego jonu, Vsp � Ejon, okre�lana jest jako jon�w nap�dowa i jest miar� si�y elektrochemicznej, zgodnie z kt�r� przep�ywaj� poprzez b�on� kom�rkow�. Si�a nap�dowa w stanic czynku dla K+ jest ma�a, natomiast dla Na+ � du�a. W wi�kszo�ci kom�rek pobudliwych jonowa si�a nap�dowa dla j chlorkowych jest bliska zeru (Eci = Vsp). Dzieje si� tak, poniewa� joi rozmieszczaj� si� po obu stronach b�ony w spos�b bierny, zg z potencja�em spoczynkowym ustalanym przez po��czone efek i ENa. Powodem, dla kt�rego jony Cl~ s� rozmieszczane biernie, po gdy K+ i Na+ bezpo�rednio determinuj� potenq'a� spoczynkowy, ji / \J > L ii B1 - Potencja� spoczynkowy 23 i� spoczynkowy gradient st�e� jon�w potasu i sodu jest aktywnie utrzy- mywany prze^; ATPaz� Na^/K^nie ma natomiast aktywnego mecha- nizmu transportuj�cego, utrzymuj�cego ustalony gradient Q~. Potencja� spoczynkowy mo�na obliczy� stosuj�c r�wnanie Goldmana, kt�re uwzgl�dnia stosunek st�e� (oznaczonych nawiasem kwadrato- wym) i wzgl�dn� przepuszczalno�� (P) dla jon�w K+, Na+ i Cl~: E = (RT / In in r Alg"1 w4 . � ' �� J Sekcja B - Podstawy elektrofizjologii B2 POTENCJA� CZYNNO�CIOWY Has�a Stymulacja neuron�w Potencja� czynno�ciowy W�a�ciwo�ci potencja�u czynno�ciowego Neurony mo�na pobudza� za pomoc� stymulatora, kt�ry dostarcza di kom�rki pr�d poprzez mikroelektrod�. Pr�d pobudzaj�cy ma zazwyczaj kszta�t impulsu prostok�tnego, kt�rego cz�stotliwo�� powtarzania, amplitud� i d�ugo�� mo�na niezale�nie regulowa�. Pr�d przep�ywaj�cy do wn�trza powoduje depolaryzacj� neuronu (tzn. potencja� b�onowy zmniejsza si�), natomiast pr�d skierowany na zewn�trz wywo�uje hiperpolaryzacj�. Potencja� czynno�ciowy (zwany te� iglicowym), czyli impuls nerwowy, jest kr�tkotrwa�ym odwr�ceniem potencja�u b�onowego. Potencja� czynno�ciowy trwa kr�cej ni� l ms i osi�ga maksymalnie warto�� oko�o +30 mV. Hiperpolaryzacja nast�pcza trwa kilka milisekund. Potencja�y czynno�ciowe powstaj� na wzg�rku aksonowym neuronu i rozprzestrzeniaj� si� po b�onie aksonu. Zachowuj� si� one zgodnie z zasad� �wszystko albo nic": do zapocz�tkowania potenq'a�u czynno�ciowego niezb�dny jest bodziec o intensywno�ci wystarczaj�cej do zdepolaryzowania neuronu powy�ej okre�lonej warto�ci progowej; wszystkie potencja�y czynno�ciowe w danej kom�rce maj� t� sam� wielko��. Mi�dzy pocz�tkiem bod�ca a pocz�tkiem potencja�u czynno�ciowego wyst�puje kr�tkie op�nienie, tzw. czas utajenia (latenq'a). W czasie trwania potencja�u czynno�ciowego neurony staj� si� niepobudliwe, za� w czasie wyst�powania hiperpolaryzuj�cego potencja�u nast�pczego ich pobudliwo�� jest zmniejszona. Zjawiska te okre�la si� odpowiednio jako refrakcj� bezwzgl�dn� i wzgl�dn�. Zjawiska refrakcji stanowi� ograniczenie dla maksymalnej cz�stotliwo�ci, z jak� neuron mo�e wytwarza� potencja�y czynno�ciowe. Zapobiega to sumowaniu potencja��w czynno�ciowych i zapewnia przewodzenie potencja��w czynno�ciowych w aksonie