Obecná neurofyziologie

Obecná neurofyziologie
Centrální nervový systém
- vedle endokrinního a imunitního systému je hlavním regulačním systémem
organizmu,
- ve svém účinku je endokrinnímu a imunitnímu systému nadřazen,
- jeho regulační děje jsou rychlejší než regulace humorální a imunitní.
Mezi neurony (základní strukturální a funkční jednotka nervového systému)
existují různé typy kontaktů, ale důležité je, že neuron se pouze dotýká – jeden
neuron nepřechází v druhý – podstata tzv. neuronové teorie (Ramon y Cajal).
Člověk má 15 – 25 miliard neuronů a 300 miliard kontaktních ploch – synapsí.
Neurogeneze (tvorba nervových buněk) probíhá u altriciálních (nezrale se rodících)
živočichů i po narození, na rozdíl od živočichů prekociálních (zrale se rodících).
Nervová soustava je tvořena 2 základními druhy buněk:
1. neurony – strukturální a funkční jednotka,
2. neuroglií – má převážně podpůrnou a metabolickou funkci.
Funkční rozdělení neuronu
Strukturální rozdělení:
- tělo,
- výběžky těla – dendrity a neurity.
Funkční rozdělení – na úseky:
- receptivní segment (dendrit) – přivádí informace do těla (soma) neuronu, které
je pro neuron současně i trofickým segmentem,
- iniciální segment – je místem vzniku akčního potenciálu,
- vodivý segment (neurit-axon) – vede informaci (vzruch) na další neuron,
- transmisivní segment (synapse) – předává informace na velké množství dalších
neuronů, a to na jeho receptivní, buněčné, axonální segmenty.
Tělo neuronu
- tvoří ho membrána podobná jiným buněčným membránám, obsahující receprotry
a iontové kanály,
- jádro – obsahuje deoxyribonukleovou kyselinu (DNA),
- jadérko – obsahuje ribonukleovou kyselinu (RNA),
- v cytoplazmě neuronu jsou:
: endoplazmatické retikulum,
: Nisslova substance a ribozomy uplatňující se při tvorbě bílkovin,
: mitochondrie zajišťující buněčný metabolizmus,
: neurotubuly a naurofilamenta spojené s axoplazmatickým transportem.
Dendrity – jsou většinou krátké, bohatě větvené, rozšířené do dendritických trnů.
Neurit (axon)
- dlouhý výběžek obsahující ribozomy, malé množství mitochondrií a neurotubuly,
- transport látek axonem je různě rychlý a závisí na druhu transportované látky
: anterográdní transport – obvyklý transport látek – z buněčného těla,
-
: retrográdní transport – méně častý – do buněčného těla (šíření virů a toxinů),
iniciální část axonu je holá, další úsek kryje pouze Schwannova pochva (šedá
vlákna) nebo také pochva myelinová (bílá vlákna)
Vzruch
-
vzniká při působení podnětu na vzrušivou tkáň (receptor, nervová buňka,
nervové vlákno).
Podnět = energie, změna zevního nebo vnitřního prostředí, která působením na
vzrušivou tkáň vybavuje vzruch.
Podráždění = obecný projev dráždivosti, jenž je nezbytným předpokladem pro vznik
vzruchu. Podráždění je místní, většinou se nešíří, a když, tak se ztrátou (s
dekrementem) účinku.
Vzruch – představuje speciální formu podráždění, která se šíří po nervovém vláknu
podle zákona „vše nebo nic“, a to bez dekrementu.
Podmínky účinnosti podnětu
Na podněty zevního nebo vnitřního prostředí odpovídají receptory.
Podněty, které působí na senzorické receptory dělíme podle:
- modality (specificity),
- kvality,
- kvantity
1. Modalita působení podnětu – závisí na tom, který receptor daný podnět vnímá,
- exteroreceptory – přijímají podněty ze zevního prostředí organizmu,
- interoreceptory – přijímají podněty z vnitřního prostředí organizmu.
Rozdělení exteroreceptorů:
- telereceptory (dálkové) – zrak, vestibulární aparát, sluch,
- mechanoreceptory – působí na ně přímý kontakt s podnětem (kožní
sometostatické receptory),
- chemoreceptory – čich a chuť.
Mezi ineteroreceptory patří:
- chemoreceptory,
- osmoreceptory,
- baroreceptory,
- proprioreceptory.
2. Kvalita působení podnětu – na stejné receptory působí různé kvality podnětu.
Např. u somestézie: lechtání, šimrání, škrábání, teplo, chlad.
3. Kvantita působení podnětu – je určena intenzitou.
Např. tóny různé výšky, intenzita tlakových podnětů, koncentrace látek ve
vnitřním prostředí.
Účinnost podnětu spočívá v tom, že jej receptory zachytí a organizmus na něj
reaguje. Proto musí být podnět dostatečně silný, musí působit po určitou dobu a
musí nastat dostatečně rychle.
1. Podnět musí být dostatečně silný:
: prahová intenzita – nejmenší intenzita podnětu, která vyvolá reakci,
: prahová a nadprahová intenzita – vyvolává odpověď,
: podprahová podněty – odpověď nevyvolávají.
2. Podnět musí mít minimální trvání:
- čím je podnět slabší, tím delší musí mít trvání a naopak.
3. Rozdíl mezi výchozím a novým stavem musí nastat dostatečně rychle:
: když probíhá změna prostředí pomalu, podnět není účinný a reakci nevyvolá,
nastává vplížení podnětu,
: o účinnosti podnětu rozhoduje rychlost změny (pravidlo Du Bois-Reymondovo)
Chronaxie
- určuje vztah mezi intenzitou a trváním podnětu,
- umožňuje měřit dráždivost vzrušivých struktur (nervů, svalů, senzorických
orgánů).
Prahová intenzita podnětu, která vyvolá odpověď, působí po dobu tzv. určitého
času (t), se označuje jako reobáze (R).
Podnět o dvojnásobku reobáze (2R) potřebuje k vyvolání odpovědi kratší čas a
označuje se jako chronaxie.
Závislost intenzity na trvání podnětu znázorňuje Hoorwegova-Weissova křivka
(podprahové podněty vlevo od ní, nadprahové podněty vpravo).
Měření chronaxie
Nejprve se stanoví reobáze, ta se zdvojnásobí, a tak se zjistí chronaxie. Určení
chronaxie je běžným klinickým vyšetřením.
Projevy vzruchu
- elektrické,
- chemické.
Elektrické projevy
Stejně jako v jiných tkáních i v nervové tkáni existuje v klidu potenciální rozdíl
mezi jejím vnitřkem a povrchem.
Vnitřek – negativní,
Povrch – pozitivní,
- potenciálový rozdíl (- 60 až – 90 mV) se označuje jako klidový potenciál.
Při působení podnětu vzniká vzruch, který se projeví změnou polarity (vnitřek
pozitivní a povrch negativní) = depolarizace a její max. úroveň přesahuje až do
kladných hodnot (+ 30 až + 40 mV). Akční potenciál, který takto vzniká, má hodnotu
110 – 120 mV a trvá 1 - 3 ms.
Chemické projevy
Klidový potenciál vzniká nerovnoměrným rozložením iontů K+, Na+ a Cl- na obou
stranách membrány. V klidu je membrána prostupná mírně pro K+ a Cl- na obou
stranách membrány a neprostupná pro Na+. Koncentrace K+ uvnitř je mnohonásobně
(30x) vyšší než zevně a naopak koncentrace Na+ a Cl- je zevně mnohonásobně
vyšší. Rozdíl koncentrací vysvětluje klidový potenciál.
Polarizace nervového vlákna je po proběhnutí vzruchu ještě krátkou dobu snížena
– následná depolarizace.
Potenciálová změna probíhá dále, ale pomaleji a polarizace převýší původní úroveň
negativního potenciálu – následná hyperpolarizace.
Tyto změny souvisejí se změnami dráždivosti.
Dráždivost během vzruchu
Období latence = období od začátku podnětu do dosažení depolarizace, kdy vzniká
vzruch.
Absolutní refrakterní fáze = při průchodu vzruchu je nerv nedráždivý,
Relativní refrakterní fáze = období, kdy je dráždivost snížena, v období následné
depolarizace je vystřídána supernormální fází, kdy je dráždivost zvýšena.
V období následné hyperpolarizace – subnormální fáze – je dráždivost opět
snížena.
Vedení vzruchu
Místem vzniku akčního potenciálu je iniciální segment axonu. Dále se vzruch šíří
podle zákona „vše nebo nic“, a to znamená, že místní podráždění dosáhne
hodnoty vzruchové aktivity, následně maximální hodnoty – depolarizace – a šíří se
po nervovém vláknu bez dekrementu tak, že mezi aktivní oblastí, kde vzruch vznikl, a
mezi neaktivním úsekem před vzruchovou vlnou vznikají elektrické proudy spojené
s otevíráním Na+ kanálů, což mění propustnost membrán pouze před postupující
vlnou. Takto se vede vzruch po nemyelinizovaných vláknech.
Po myelinizovaných vláknech se vzruch šíří skokem – saltatorně, protože
myelinová pochva působí jako izolátor a výměna iontů nastává pouze v obnažených
úsecích na Ranvierových zářezech.
Rychlost šíření vzruchu závisí na síle nervových vláken. Čím je vlákno silnější, tím
vedu vzruch rychleji.
Fyziologicky se vzruch šíří od těla neuronu po vodivém k transmisivnímu segmentu –
ortodromní vedení. Šíření opačným směrem, většinou patologické, se nazývá
antidromní vedení. Jednosměrnost vedení zajišťuje synapse.
Spojení mezi neurony – synapse
-
zajišťuje kontakt mezi neurony,
spojení se uskutečňuje mezi dvěma neurony, z nichž jeden vytváří
presynaptickou a druhý postsynaptickou část synapse; mezi nimi je
synaptická štěrbina.
Rozšířená presynaptická část axonu obsahuje u chemických synapsí synaptické
váčky ( vezikuly), v nichž se soustřeďuje neurotransmiter (přenašeč).
Presynaptická membrána – část buněčné membrány, která je ztluštělá (zvýšená
denzita) a prochází jí transmiter.
Subsynaptická membrána – část buněčné membrány kontaktního neuronu s větší
denzitou.
Typy synapsí
1. Jednoduché – chemické:
a) axo-dendritické – kontakt axonu a dendritu (nejčastější),
b) axo-axonální – kontakt axonů dvou neuronů,
c) axo-somatické – spojení axonu a těla neuronu.
2. Jednoduché – elektrické:
- mají velice těsné membránové spojení, označované jako nexy,
- přenos podráždění se uskutečňuje konexony, které převádějí informace
z jednoho neuronu na druhý prostřednictvím iontů.
Neuronové receptory a iontové kanály
Neuron má na povrchu receptory a iontové kanály.
Neuronové receptory
- útvary bílkovinné povahy,
- skládají se z několika podjednotek, které procházejí lipoproteinovou částí
buněčné membrány a vyčnívají z ní na obě strany – na zevní straně (obvykle
aminová skupina – NH2) a dovnitř (karboxylová skupina – COOH). Toto
uspořádání umožňuje transmiterům vazbu na jejich aktivní místo.
Iontové kanály
- otvory (póry) v membráně neuronu, které se otevírají dvěma způsoby:
: 1. přímo – působením iontů (nepaměťové),
: 2. nepřímo – působením transmiterů na receptory v membráně neuronu: tato
vazba umožní otevření iontového kanálu.
Podle místa účinku rozeznáváme na neuronech 2 typy receptorů:
1. Ionotropní receptory – navázáním transmiteru (ligandu) otevřou iontový kanál
přímo.
2. Metabotropní receptory - navázáním ligandu aktivují řetězec metabolických
dějů, a ten umožní otevření iontového kanálu.
Mezi ionotropní receptory řadíme:
1. acetylcholin-nikotinové a některé glutamátové receptory, které působí na
iontové kanály prostupné pro Na+ a Ca2+,
2. receptory GABAA (γ-aminomáselnou kyselinou) a glycin, které působí na kanály
prostupné pro Cl-.
1.
2.
3.
4.
K metabotropním patří receptory:
acetylcholin-muskarinové,
katecholaminergní,
některé glutamátové,
GABAB.
Aktivace metabotropních receptorů
- začíná aktivací některého proteinu ze skupiny G (proteiny vázaně
s guanozintrifosfátem – GTP), který aktivuje primární enzym;
Primární enzym produkuje druhého posla, který přenáší signál na další enzym,
nebo přímo na regulační protein.
Mezi nejúčinnější molekuly při metabolickém přenosu z G-proteinů patří enzym
adenylátcykláza.
Elektrické projevy synaptického přenosu
1. Na chemických synapsích
Excitační postsynaptický potenciál (EPSP)
- označení pro vzniklou potenciálovou změnu,
- vzniká na větším počtu synaptických spojení a jejich sumací (prostorová
sumace) vzruchová úroveň stoupá, až vybaví akční potenciál.
Vzruchová úroveň stoupá také sumací vzruchové aktivity v čase – časová
sumace.
Změny, které vznikají při obou druzích sumace = facilitace.
Synaptické zpoždění – zpoždění vznikající příchodem vzruchu k presynaptické části
synapse, uvolněním transmiteru z váčků a ději na postsynaptické membráně.
Kromě excitačních synapsí, jejichž projevem je EPSP, nacházíme v CNS i
inhibiční synapse, jejichž elektrickým projevem je hyperpolarizace a vznik
inhibičního postsynaptickéhoo potenciálu (IPSP) – je zprostředkován hlavně
interneurony při reciproční inervaci a na Renshawových buňkách (RB) v míše.
2. Na elektrických synapsích
Vzruch se na el. synapsích přenáší tak, že v postsynaptickém neuronu vzniká
EPSP elektrickým můstkem s nízkým odporem, a přenos je proto rychlejší.
Další příčinou rychlého přenosu je odpadnutí výlevu transmiteru z váčků.
Změny synaptického přenosu
Účinek neurotransmiterů na synapsích může být změněn:
1. Neuromodulátory – látky, které mohou mít pozitivní (zvyšují), nebo negativní
(snižují vliv na tvorbu nebo uvolnění transmiteru.
Jako neuromodulátory působí lokální hormony (VIP, somatostatin), z exogenních
látek, např. psychorarmaka.
2. Agonisty a antagonisty.
Na receptor se kromě specifického transmiteru vážou i jiné látky (ligandy), které
se vyznačují afinitou k receptoru.
a) agonisté – mají stejný účinek jako specifický transmiter,
b) antagonisté – blokují působení specifického transmiteru tím, že se vážoou na
jeho místo.
3. Inverzní antagonisté – jejich působení se projevuje opačným účinkem než
působení agonistů.
4. alosterickou modulací – buď potlačuje vazbu, nebo schopnost receptoru vázat
ligand.
Funkční vlastnosti synapsí
Děje na synapsích jsou charakterizovány:
- jednosměrností vedení vzruchu,
- synaptickým zdržením,
- sumací a facilitací dějů,
- excitací nebo inhibicí,
- únavou.
Funkce neuroglie a extracelulárního prostoru
Neuroglie
- je intersticiální složkou nervového systému,
- zabezpečuje metabolizmus neuronu,
- podílí se na homeostáze,
- vytváří bariéru proti vstupu látek do CNS,
- spolu s mozkomíšním mokem a extracelulárním prostorem tvoří 50%
extraneuronového objemu nervstva,
- Dělíme ji na:
: makroglii – tvoří ji : Astroglie – zprostředkovává styk mezi neuronem a
krevními vlásečnicemi.
: Oligodendroglie – tvoří myelin pro pochvy axonů v mozku.
: Ependymální buňky – vystýlají dutiny CNS a společně
s cévami tvoří plexus chorioideus, v němž
vzniká mozkomíšní mok.
: mikroglii – pomáhá odstraňovat z extracelulárního prostoru K+ a svou
fagocytární schopností se uplatňuje při některých chorobách.
Extracelulární prostor
- tvoří 15 – 25 % extraneuronového objemu centrálního nervového systému,
- jeho hlavní funkcí je zajištění stálé koncentrace iontů.
Některé zvláštnosti cévního zásobení a metabolizmu mozku
Mozkem proteče 20 % minutového objemu srdečního.
Zvláštnosti cévního řečiště mozku jsou:
1. kapilárami protéká stálé množství krve, neboť v mozku nejsou arteriovenózní
anastomózy,
2. tlak krve v mozku nezávisí na změnách systémového tlaku, což je způsobeno
uspořádáním oběhu (circulus arteriosus – Willisi).
Sytém mozkových bariér
Látky z krve nepřestupují do nervové tkáně přímo, ale systémem bariér:
Druhy mozkových bariér:
1. hematoencefalitická – mezi krví a nervovou tkání,
2. hematolikvorová – mezi krví a mozkomíšním mokem,
3. likvoroencefalická – mezi likvorem a nervovou tkání (její existence je však
sporná)
Hematoencefalitická bariéra
Transport látek touto barierou se uskutečňuje:
: prostou difuzí – např. kyslík, oxid uhličitý, voda,
: aktivním transportem – např. D-glukóza, laktát, l-tyrozin.
Mozkomíšní mok (cerebrospinální likvor)
- tvoří se z krevní plazmy v plexus chorioideus ve III. mozkové komoře a
v postranních komorách, a to nepřetržitě v množství 0,5 ml/min, 720 ml/24 hodin,
- cirkuluje subarachnoidálním a komorovým prostorem.
Resorpce likvoru do venózního systému je realizována subarachnoidálními klky a
závisí na jeho tlaku. Rovnováha vstřebávání a tvorby je při tlaku 1 kPa.
Složení: čistý, bezbarvý, pH dosahuje hodnoty 7,33, specifická hmotnost 1003 –
1008, obsahuje malé lymfocyty a monocyty, jeho množství je 150 ml.
Tlak: vleže 0,7 – 1,4 kPa, v sedě je 2x vyšší.
Funkce: pro mozkovou tkáň tvoří ochranu, vyrovnává změny jejího objemu, má
nezastupitelnou úlohu trofickou a distribuční.
Energetický metabolizmus nervstva
Glukóza – hlavní energetický substrát pro činnost nervstva,
- tvoří 20 % její celkové spotřeby v organizmu.
Mozek nemá rezervní akumulující mechanizmy pro kyslík. Dodávky kyslíku proto
závisí na sycení arteriální a venózní krve a udržení jejich plynulého oběhu.
Nedostatečné zásobení mozku kyslíkem i glukózou se projeví ztrátou vědomí. Při
normální teplotě po delší době než 5 minut dochází ke smrti neuronů.
Při poklesu glykémie nastává nejprve zmatenost, bezvědomí, křeče a nakonec smrt.