Hermosolu 3 Hermosolu Oppiminen yksinkertaisissa systeemeissä pienen neuronijoukon ominaisuuksissa tapahtuvia muutoksia Hermosolu 1 Hermosolun rakenne 1 Ominaisuudet ärtyvyys sähköisen signaalin kuljetus proteiinit mukana signaalin muodostumisessa ja kuljetuksessa aktiopotentiaali (pitkän matkan kuljetus) Neuronien väliset yhteydet sähköinen synapsi kemiallinen: signaalimolekyylinä neurotransmitteri 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 input-liittymää muista soluista, aksonit kuitenkin kuljettavat kauas Hermosolu 2 Hermosolun rakenne 2 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 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 Gliasolut 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 Gliasolujen luokittelu: astrosyytti: keskushermoston yleisin solutyyppi oligodendrosyytti tai Schwannin solu perifeerisessä kudoksessa kiertyy hermosolun ympärille ja muod. myeliinitupen Hermosolutyypit ja neuronien luokittelu Schwann cell 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 Nucleus Neuronin liittyminen gliasoluun Dendrites Dendrites Schwann cell Cell body (initial segment) Collateral Nucleus hillock Myelin sheath veriaivoeste, blood brain barrier Presynaptic axon terminal Synapse Postsynaptic dendrite Cell body terminal 2
Hermosoluverkko Ependymal cell Microelectrodes Interneurons Microglia Capillary Astrocyte Node Oligodendrocyte Time (msec) Lepopotentiaali Aktiopotentiaali 1 lepopotentiaali riippuvainen ionikanavien selektiivisyydestä ja ionipumpuista solukalvon ulkopuoli on positiivinen koska: 1. Na-K-pumppu 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 [K + ] 5 mm [Na + ] [Cl - OUTSIDE ] CELL 150 mm 120 mm INSIDE [K + ] CELL 150 mm [Na] 15 mm [Cl- ] 10 mm [A - ] 100 mm OUTSIDE CELL INSIDE CELL Sodiumpotassium pump plasmamembrane Ekstrasellulaarinen mittaus Aktiopotentiaali 2 lasinen kapillaarielektrodi on tavallisin potentiaalieroa mitataan esim. oskilloskoopilla mikroelektrodien välillä näkyvä jänniteero tuottaa aktiopotentiaalin (usein rekisteröi-dään summapoten-tiaalina) spiket voidaan rekisteröidä myös tietokoneelle esim. Spike 2 ohjelmalla intrasellulaarinen mittaaminen vaativampaa A graded potential above threshold reaches the trigger zone Voltage-gated Na + channels open and Na + enters the axon Trigger zone 3
Aktiopotentiaali 3 Välittäjäaineen kulku aksonia pitkin Näin esim. transmitteriä sisältävä vesikkeli kulkee kohti aksonin kärkeä. Organelle Na + entry depolarizes the membrane, which opens additional Na + channels Receptor for motor molecule Positive charge flows into adjacent sections of the axon by local current flow Motor molecule (ATP powerwd) Microtubule of cytoskeleton Aktiopotentiaali 4 Refactory region Active regions Inactive v-snare Synapsin Neurotransmitter vesicle Cytoskeleton 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 the membrane to depolarize Calcium influx triggers phosphorylation of synapsin and release of vesicles from cytoskeleton Synaptophysin Neurotransmitterin synteesi ja kuljetus 6. Old membrane components digested in lysosomes SNAPs NSF Soma Rough endoplasmic reticulum 1. Peptides synthesized and packed 5. Retrograde fast axonal transport 2. Fast axonal transport along microtubule network Golgi body Synaptic vesicle 3. Vesicle contents released by exocytosis Rab3a-GTP Docking site Gathering of proteins t-snare 4
Myeliinitupellinen neuroni 1 Dendrites Assembly of fusion proteins Membrane fusion and release of proteins Nucleus of Schwann cell Neurotransmitter release terminal Kemiallinen synapsi 1 of presynaptic neuron terminal Myeliinitupellinen neuroni 2 Site of injury Synaptic vesicles Postsynaptic neuron Mitochondrion Proximal stump Distal stump Synaptic cleft Receptor Neurotransmitter sites Postsynaptic membrane Myelin Kemiallinen synapsi 2 Schwannin solu ja Ranvierin kurouma Action potential Cytosol of Schwann cell Node of Ranvier terminal Plasma membrane of axon Voltagegated channel Docking protein Postsynaptic cell Receptor Plasma membrane of Schwann cell 5
Miten neurotransmitterien vapautuminen liittyy muistiin? Transmittereiden välittymiseen reseptoreissa vaikuttavat ionikanavat ja psykoaktiiviset kemikaalit NMDA = N-methyl-Daspartaatti, 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 1. Curare blokkaa Achreseptorit poikkijuov. lihaksen lamaantuminen Etelä-Amerikan intiaanien myrkkynuolissa (kasvista peräisin) 2. Unettomuus, ahdistuneisuus, depressio, skitsofrenia lääkkeet kemiallinen synapsi sitoutuu transmittergated ionchannels Glutamate from CA3 neuron Metabotropic glutamate receptor Voltage-gated channel NMDA-reseptori Normal synaptic transmission Mg 2+ K + NMDA glutamate receptor CA3 neuron Non-NMDA glutamate receptor Cendritic spine 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 Dendritic shaft Pitkäkestoinen (muisti) Induction of long-term potentiation (LTP) Prolonged transmitter release Increased concentration Na + Protein kinase C Calmodulin calmodulin Tyrosine kinase kinase Retrograde signal generator 6