Hermosolu tiedonkäsittelyn perusyksikkönä Muonion lukio 20.8.2018 Noora Lindgrén
Hermosolu perusyksikkönä äärimmäisen monimutkaisessa verkostossa Aivoissa on lähes sata miljardia hermosolua Aivojen toiminta perustuu hermosolujen väliseen viestintään, hermoimpulsseihin Viestinvälitys on nopeaa ja tarkkaan säädeltyä Hermoimpulssin kulkunopeus 1-100 m/s, laukaisunopeus: 1-200 kertaa sekunnissa Yksi hermosolu voi olla yhteydessä useisiin tuhansiin muihin hermosoluihin synapsien välityksellä Hermosolu > hermoverkostot > hermosto Pääasiassa hermosolut ovat yhteydessä lähinaapureihinsa, joiden kanssa ne muodostavat hermoverkostoja Hermoverkostot yhdistyvät toisiinsa aksonikimppujen muodostamien ratojen kautta Kuvien lähteet: http://www.brainfacts.org/brain-anatomy-and-function/cells-andcircuits/2017/image-of-the-week-social-networking-013017 ja http://www.hrplab.org/working-memory-training-brain-mechanisms/
Ks noin 2 min
https://www.youtube.com/watch?v=s2b06qtqpp4
Toiminnallinen magneettikuvaus (kappale 6 aivojen tutkimusmenetelmät) https://www.youtube.com/watch?v=y1gnxfvf2mq&t=48s
Hermoston viestinnän eri tasot Kuva: Lerner&Deisseroth Cell 2016 Laaja-alaiset hermoverkostot Kappale 4 Paikalliset hermoverkostot Synapsi Välittäjäaineet Välittäjäaineiden reseptorit Aksoni Hermoimpulssi Lepojännite Hermosolujen väliset yhteydet: synapsit ja välittäjäaineet Solunsisäiset viestintäjärjestelmät Muovautuvuuden eli plastisuuden perusta (kappaleet 7, 15 (etenkin s. 138)
Hermosolun rakenne
Hermosolun rakenne 1. 2. 3. 6. 4. 5. 1. Tuojahaarakkeet eli dendriitit Dendriitit vastaanottavat hermoimpulsseja ja aksonit lähettävät niitä eteenpäin 2. Solukeskus eli sooma 3. Tuma, jossa on solun toimintaa ja rakennetta ohjaavat geenit 4. Viejähaarake eli aksoni Useimmilla hermosoluilla on vain yksi pääaksoni Yleensä pidempi ja paksumpi kuin dendriitit Voi haarautua loppupäästä useiksi päätehaarakkeiksi 5. Myeliinituppi Aksoni voi olla myeliinitupeton tai myeliinitupellinen 6. Synapsi Presynaptisen hermosolun ja postsynaptisen solun välinen kommunikaatiopiste http://www.kurzweilai.net/images/neuron_str ucture1.jpg
Hermosolun eli neuronin rakenne Useita dendriittejä ja yhden pääaksonin sisältävä rakenne on tavallisin hermosolurakenne Erilaisia neuronityyppejä Hermosolujen alueellinen erilaistuminen on voimakasta Eri aivoalueilla ja esimerkiksi aistinelinten alueilla on juuri niille ominaisia neuronityyppejä
Hermosolun rakenne Synapsi on presynaptisen hermosolun ja postsynaptisen solun (esim. hermosolu tai lihassolun) välinen kommunikaatiopiste Rauhassolut Lihassolut Kuva: Koulu&Tuomisto. Farmakologia&Toksikologia.
Hermosolun rakenne Solukalvo ja lepojännite Hermosolua ympäröi solukalvo, jonka ominaisuudet ovat erittäin tärkeitä hermosolun viestinnässä Lipidikaksoiskerros toimii varausten erottelijana Varaukselliset hiukkaset ionit pääsevät solukalvon läpi vain kalvoproteiinien avulla (ionikanavat ja ionipumput) Lepojännite Hermosolun sisällä on lepotilassa negatiivinen varaus Solukalvon ulko- ja sisäpuolen välillä on noin -70 millivoltin suuruinen jännite-ero Aiheutuu solun sisällä olevista solukalvoa läpäisemättömistä negatiivisesti varautuneista suurista molekyyleistä kuten proteiineista sekä ionien erilaisesta pitoisuudesta solun sisäpuolella ja ulkopuolella Hermosolun sisällä on paljon vähemmän natrium (Na+) ioneja kuin solun ulkopuolella. Hermosolun sisällä on paljon enemmän kalium (K+) -ioneja kuin solun ulkopuolella. http://slideplayer.com/slide/11217670/
Hermosolujen sähkökemiallinen viestintä
Yleiskuva tiedonvälityksestä: Hermosolujen toiminta on sähköistä ja kemiallista Hermosolujen toiminnan Tieto monimuotoisuus etenee hermosolussa sähköisenä hermoimpulssina ja hermosolujen välillä kemiallisten välittäjäainemolekyylien avulla 1. Sähköinen hermoimpulssi kulkee aksonia pitkin kohti aksonin päätehaarakkeita 2. Hermoimpulssi saapuu aksonin päätehaarakkeen presynaptiselle kalvolle, mikä laukaisee välittäjäaineiden vapautumisen synapsikuiluun 3. Välittäjäainetta siirtyy postsynaptisen solun pinnalle ja sitoutuu siinä oleviin välittäjäainetta tunnistaviin reseptoreihin 4. Kiihdyttävät välittäjäaineet lisäävät seuraavan hermosolun hermoimpulssin laukaisemisen todennäköisyyttä ja estävät välittäjäaineet vähentävät sitä. Hermoimpulssi laukeaa, jos tietyllä hetkellä soluun saapuvien kiihdyttävien ja estävien vaikutusten summa ylittää laukeamiskynnyksen.
Viestin eteneminen hermosolujen välillä: Synapsi ja välittäjäaineet SYNAPSIKUILU https://virkkulaps3.wikispaces.com/luku+ii+(kk) Reseptorit ovat suurikokoisia solukalvolla sijaitsevia proteiineja. Tietynlaiseen reseptoriin sitoutuu vain tietty välittäjäainemolekyyli (sopii kuin avain lukkoon).
Mikä voi muuttaa hermosolun lepojännitteen (-70 mv) volttimäärää? Postsynaptisella kalvolla oleva reseptori Kiihdyttävä välittäjäaine Positiivisten ionien pääsy solukalvon sisään pienentää solukalvon jännite-eroa. Jos lepojännite pienenee noin -50 millivolttiin, laukeamiskynnys ylittyy. Postsynaptisella kalvolla oleva reseptori Estävä välittäjäaine Negatiivisten ionien pääsy solukalvon sisään lisää solukalvon jänniteeroa. Vähentää mahdollisuutta saavuttaa laukeamiskynnys. Eli välittäjäaineet voivat lisätä tai vähentää hermosolun jännitettä
Aivoissa hermosolut toimivat laskimina Hermoimpulssin laukeamiseen seuraavassa hermosolussa ei yleensä riitä yhden kiihdyttävän synapsin kautta saapuva impulssi Ajallinen ja paikallinen summautuminen Hermosoluun samanaikaisesti eri synapsien kautta saapuvat impulssit Hermosoluun saman synapsin kautta monta impulssia lyhyessä ajassa Kiihdyttävien ja estävien vaikutusten summaus
Onko hermosoluilla tai impulsseilla eroa, jos kyseessä on esimerkiksi tunne tai vaikka käden liike? Aivoissa hermosolut toimivat laskimina. Lihassolun supistumiseen riittää yhden hermoimpulssin saapuminen.
Hermoimpulssin Hermosolujen laukaisu toiminnan ja kulku aksonia pitkin monimuotoisuus Laukeamiskynnyksen ylittyessä hermosolu laukaisee hermoimpulssin aksonia pitkin Kaikki tai ei mitään -periaate Hermoimpulssi pohjautuu pääasiassa positiivisesti varautuneiden ionien liikkeeseen solukalvon läpi Myeliinituppi nopeuttaa hermoimpulssin kulkua https://www.youtube.com/watch?v=5wt0rxs-n6e
https://peda.net/oppimateriaalit/e-oppi/lukiot/oulainen/oulaisten-lukio/biologia/ibb/symbioosi4-0901150/ihl
Välittäjäaineet Välittäjäaineita ainakin yli 100 erilaista Hermosolu voi vapauttaa yhtä tai useampaa välittäjäainetta Samoilla välittäjäaineilla on eri toimintoja eri puolilla hermostoa Välittäjäaineen nimi Tavallinen postsynaptinen vaikutus Esimerkkejä vaikutuksista Serotoniini Estävä Mieliala, aggressiivisuus, ruokahalu, unirytmi Dopamiini Kiihdyttävä ja estävä Motoriikka, motivaatio, mielihyvä, palkitseminen GABA Estävä Vireystila, tärkeä hermosolujen toimintaa estävä välittäjäaine Sairauksia, joihin liittyy muutoksia välittäjäainetta käyttävissä hermojärjestelmissä Masennus Skitsofrenia, riippuvuus, Parkinsonin tauti (Ahdistuslääkkeet) Asetyylikoliini Pääasiassa kiihdyttävä Vireystila, muisti Alzheimerin tauti
Välittäjäaineet lääkkeiden vaikutuskohteena Lääkkeet ja päihteet vaikuttavat usein välittäjäaineiden ja niitä tunnistavien reseptorien toimintaan http://2.bp.blogspot.com/-c9ke-i3enka/uqmmvucuzmi/aaaaaaaaapa/m193widm9is/s1600/syna.jpg
Onko ihmisen mahdollista sairastaa yhtä aikaa Parkinsonin tautia sekä skitsofreniaa vai onko ihmisen dopamiinitaso silloin balanssissa? Jos molempia voi sairastaa, kuinka niitä voi hoitaa dopamiinin annostelulla? Parkinsonin tauti on liikehäiriösairaus, johon liittyy vapina, yleisen liikkumisen hidastuminen ja lihasjäykkyys. Dopamiinisolujen tuhoutuminen (Nigrostriataalinen dopamiinirata) Tehokkain lääke suurentaa aivojen dopamiinipitoisuutta. Näiden lääkkeiden aiheuttamia haittoja ovat esim. painajaisunet, aistiharhat, harhaluulot, mania Skitsofreniassa tiettyjen (mesokortikaalisen ja mesolimbisen) dopamiiniratojen uskotaan olevan yliaktiiviisia. Tehokkaimmat lääkkeet estävät dopamiinin vaikutuksia aivoissa. Nämä vähentävät psykoosioireita, mutta usein ilmaantuu parkinsonismin oireita. Samoilla välittäjäaineilla on eri toimintoja eri puolilla hermostoa
Pohdintatehtävä: Loewin koe Mikä saa aikaan toisen sydämen sykkeen hidastumisen? Otto Loewi (1873 1961) Laati klassisen kokeen, joka mullisti ajatuksen hermosolun toiminnasta http://www.scribd.com/doc/15702455/neuroscience-3ed-dale-purves?classic_ui=1
Mitä ajattelet välittäjäaineiden syy-seuraussuhteista? Esimerkiksi masennuksen ja serotoniinin. Välittäjäaineiden määrät vaikuttavat ihmisen toimintaan. Olisi mielenkiintoista tietää, miten näitä pystytään ehkäisemään omalla toiminnalla.
Aivot ovat monimutkainen hermosolujen verkosto, joka ei ole staattinen vaan muovautuu hermosolujen aktiivisuuden ja ympäristötekijöiden vaikutuksesta
Videoita https://www.youtube.com/watch?v=rrm1astw2i c Hermoimpulssi (englanniksi action potential) https://www.youtube.com/watch?v=ibdxot_uh TQ