Hermosolu Hermosolu 1 Ominaisuudet ärtyvyys sähköisen signaalin kuljetus proteiinit mukana signaalin muodostumisessa ja kuljetuksessa aktiopotentiaali (pitkän matkan kuljetus) Neuronien väliset yhteydet sähköinen synapsi kemiallinen: signaalimolekyylinä neurotransmitteri Hermosolu 2 Hermosolu 3 neurotransmitteri vaikuttaa kohteessa reseptorin kautta muuttaa ionikanavan ominaisuuksia toisiolähetin synteesi: adenylaattisyklaasi camp Gliasolut eivät johda sähköisiä tai kemiallisia signaaleja aineenvaihdunta rakenteellinen tuki eräät toimivat rakennustelineinä ja ohjailussa hermoston kehityksen aikana Oppiminen yksinkertaisissa systeemeissä pienen neuronijoukon ominaisuuksissa tapahtuvia muutoksia Hermosolun rakenne 1 Hermosolun rakenne 2 solukeskus dendriitti, kuljettaa viestejä hermosolulle aksoni, kuljettaa viestejä hermosolusta pois ja liittyy toisiin soluihin, yhdellä aksonilla voi olla yhteyksiä moneen kohdesoluun dendriittimäärä useimmiten suurempi kuin aksonimäärä, esim. pikkuaivojen dendriittipuussa Purkinjen soluissa yli 50 000 inputliittymää muista soluista, aksonit kuitenkin kuljettavat kauas samat soluorganellit kuin muillakin soluilla: runsaasti mitokondrioita ja ribosomeja käyttävät siis runs. energiaa ja syntetisoivat proteiineja aivot n. 2 % ruumiin painosta, mutta käyttävät n. 20 % energiasta aksoneissa ja dendriiteissä runs. sytoskeletonin proteiineja: dendriiteissä mikrotubuluksia, 1
Hermosolun rakenne 3 Hermosolutyypit ja neuronien luokittelu aksoneissa mikrotubuluksia ja neurofilamentteja sekä neuronispesifisiä välifilamentteja Hermosoluverkko aivoissa neuroneja 10 12 ja jokaisella neuronilla on keskimäärin 10 4 synapsia 10 16 synapsin verkko 10-50-kertainen määrä hermotukisoluja bipolaarinen: dendriitti ja aksoni vastakkaisilla puolilla multipolaarinen: yleisin, muoto ja dendriittien lukumäärä vaihtelevat, pyramidi ja tähtimuoto yleisimmät unipolaarinen: vain aksoni, tyypillisiä kehittyvässä hermokudoksessa pseudounipolaarinen: yleisempi kuin unip., aksoni ja dendriitti kulkevat yhdessä jonkin matkaa Gliasolut Dendrites Schwann cell Dendrites Gliasolujen luokittelu: astrosyytti: keskushermoston yleisin solutyyppi oligodendrosyytti tai Schwannin solu perifeerisessä kudoksessa kiertyy hermosolun ympärille ja muod. myeliinitupen Neuronin liittyminen gliasoluun Schwann cell Nucleus Cell body (initial segment) Collateral Nucleus hillock Myelin sheath veriaivoeste, blood brain barrier Presynaptic axon terminal Synapse Postsynaptic dendrite Cell body terminal 2
Hermosoluverkko Interneurons Node Oligodendrocyte Microglia Capillary Astrocyte Ependymal cell Lepopotentiaali lepopotentiaali riippuvainen ionikanavien selektiivisyydestä ja ionipumpuista solukalvon ulkopuoli on positiivinen koska: 1. Na-Kpumppu ylläpitää varausgradienttia: käyttää energiaa (ATP) pumpatakseen Na + ulos ja K + sisään (1 mooli ATP:tä 3 Na + ulos ja 2 K + sisään) 2. solukalvon selektiivisyys Na + ja K + ioneille Ekstrasellulaarinen mittaus lasinen kapillaarielektrodi on tavallisin potentiaalieroa mitataan esim. oskilloskoopilla mikroelektrodien välillä näkyvä jännite-ero tuottaa aktiopotentiaalin (usein rekisteröidään summapotentiaalina) spiket voidaan rekisteröidä myös tietokoneelle esim. Spike 2 ohjelmalla intrasellulaarinen mittaaminen vaativampaa Microelectrodes Time (msec) Aktiopotentiaali 1 Aktiopotentiaali 2 OUTSIDE CELL Sodiumpotassium pump Voltage-gated Na + channels open and Na + enters the axon Trigger zone [K + ] [Na + ] 5mM 150 mm INSIDE [K + ] CELL 150 mm [Na] 15 mm [Cl- ] 10 mm [Cl - OUTSIDE ] CELL 120 mm [A - ] 100 mm INSIDE CELL plasmamembrane A graded potential above threshold reaches the trigger zone 3
Aktiopotentiaali 3 Aktiopotentiaali 4 Na + entry depolarizes the membrane, which opens additional Na + channels Refactory region Active regions Inactive Positive charge flows into adjacent sections of the axon by local current flow The trigger zone is in its refactory period. K + gates have opened and the Na + inactivation gates have closed. Loss of K + from the cytoplasm repolarizes the membrane In the distal parts of the axon, local current flow from the active region causes new sections of themembranetodepolarize Välittäjäaineen kulku aksonia pitkin Näin esim. transmitteriä sisältävä vesikkeli kulkee kohti aksonin kärkeä. 6. Old membrane components digested in lysosomes Organelle 5. Retrograde fast axonal transport Synaptic vesicle Receptor for motor molecule Soma Rough endoplasmic reticulum 1. Peptides synthesized and packed 2. Fast axonal transport along microtubule network Golgi body 3. Vesicle contents released by exocytosis Motor molecule (ATP powerwd) Microtubule of cytoskeleton Kemiallinen synapsi 1 Kemiallinen synapsi 2 of presynaptic neuron Action potential Synaptic vesicles Postsynaptic neuron terminal Mitochondrion terminal Synaptic cleft Receptor sites Neurotransmitter Postsynaptic membrane Voltagegated channel Docking protein Postsynaptic cell Receptor 4
Myeliinitupellinen neuroni 1 Dendrites Myeliinitupellinen neuroni 2 Site of injury Nucleus of Schwann cell Proximal stump Distal stump terminal Myelin Schwannin solu ja Ranvierin kurouma Miten neurotransmitterien vapautuminen liittyy muistiin? Plasma membrane of axon Cytosol of Schwann cell Node of Ranvier NMDA = N-methyl- D-aspartaatti, reseptorit jotka sitovat tätä ligandia ja toiset eivät yksittäinen stimulus vapauttaa glutamaattia Mg 2+ blokeeraa NMDA-glutamaattireseptorin (a) depolarisaatio johtaa kalvopotentiaalimuutoksiin ja Ca sitoutuu calmoduliiniin signaali Plasma membrane of Schwann cell NMDA-reseptori Normal synaptic transmission CA3 neuron Pitkäkestoinen (muisti) Induction of long-term potentiation (LTP) Prolonged transmitter release Glutamate from CA3 neuron Metabotropic glutamate receptor Voltage-gated channel Mg 2+ K + NMDA glutamate receptor Dendritic shaft Non-NMDA glutamate receptor Cendritic spine Protein kinase C Increased concentration Calmodulin calmodulin Tyrosine kinase kinase Retrograde signal generator Na + 5
v-snare Synapsin SNAPs NSF Neurotransmitter vesicle Cytoskeleton Synaptophysin Gathering of proteins t-snare Calcium influx triggers phosphorylation of synapsin and release of vesicles from cytoskeleton Rab3a-GTP Docking site Transmittereiden välittymiseen reseptoreissa vaikuttavat ionikanavat ja psykoaktiiviset kemikaalit Assembly of fusion proteins Membrane fusion and release of proteins Neurotransmitter release 1. Curare blokkaa Achreseptorit poikkijuov. lihaksen lamaantuminen Etelä-Amerikan intiaanien myrkkynuolissa (kasvista peräisin) 2. Unettomuus, ahdistuneisuus, depressio, skitsofrenia lääkkeet kemiallinen synapsi sitoutuu transmittergated ionchannels Transmittereiden välittymiseen reseptoreissa... 3. Barbituraatit rauhoittavat lääkkeet (Valium, Librium) sit. GABAreseptoreihin tehostavat GABA:n inhibitorisia vaikutuksia alh. konsentraatio avaa Cl-kanavat Ionikanavat molekulaarinen perusta, joiden kautta neuronaalinen viestintä toimii 6