Neurobiologia Program: 1. Wstęp. Historia badań układu nerwowego. Poziomy organizacji układu nerwowego. 2. Komórki mózgu – neuron i glej. 3. Siły chemiczne i elektryczne, równanie Nernsta. 4. Potencjał czynnościowy, teoria Hodgkina i Huxleya, prądy w komórkach nerwowych. 5. Propagacja impulsu - teoria kablowa. 6. Synapsy elektryczne i chemiczne. Złącze nerwowo – mięśniowe. Hipoteza kwantowa. 7. Procesy obliczeniowe w dendrytach. Model Ralla. 8. Zmysły – prawo energii własnych, receptory, transdukcja, kodowanie bodźca. 9. Zmysły chemiczne – smak. Kodowanie informacji smakowej. 10. Dualna natura węchu. Receptory węchowe, mapy zapachów. Feromony. 11. Czucie somatyczne, receptory skóry, czucie głębokie. 12. Obwody rdzenia kręgowego. Teoria bramkowania bólu. Reprezentacja czuciowa w korze mózgowej. 13. Propriocepcja i kinestezja. 14. Zmysł równowagi. Odruch przedsionkowo – oczny. 15. Słuch - dźwięki słyszalne, budowa i działanie ucha. Rezonansowa teoria Helmholtza, teoria fali biegnącej, wzmacniacz ślimakowy. 16. Widzenie - spektrum EM, fotoreceptory, obwody siatkówki. Elektroretinogram (ERG), i elektrookulogram (EOG). Widzenie barwne. Drogi wzrokowe. Kolumny orientacji przestrzennej. Rozpoznawanie twarzy. Problem scalania. Gdzie powstaje świadomość?   ·        Zjawiska progowe w komórkach nerwów i mięśni. Przewodnictwo jonowe i powstawanie różnicy potencjałów w poprzek błony aktywnej. Teoria Hodgkina Huxleya. ·        Propagacja pobudzenia elektrycznego. Przewodnictwo skokowe. Przewodnictwo synaptyczne i potencjały postsynaptyczne. Synapsy elektryczne. Transmisja w zespołach neuronów. ·        Zjawiska elektryczne w komórkach mięśniowych. Sterowanie mięśniami. ·        Zjawiska elektryczne w narządach zmysłów. Aktywna transdukcja bodźca. Mechanizmy zapewniającą wysoką czułość i rozdzielczość percepcji. ·        Przewodnictwo objętościowe. Właściwości elektryczne tkanki i ich wpływ na potencjały mierzone w różnych reżimach eksperymentalnych. Rodzaje elektrod. ·        Sterowanie i regulacja w organizmach żywych. ·        Elementy analizy sygnałów stochastycznych. ·        Powstawanie, rejestracja, metody analizy sygnałów elektrycznych i magnetycznych: elektroencefalogramów (EEG), potencjałów wywołanych (EP), lokalnych potencjałów polowych (LFP), elektromiogramów (EMG), elektroretinogramów (ERG), elektrookulogramów (EOG), elektrodermogramów (EDG), elektrogastrogramów (EGG), magnetoencefalogramów (MEG), magnetokardiogramów (MKG)

Proponowane podręczniki: G. Shepherd, Neurobiology E. Kandel, Principles of Neural Science D. Johnston i S. Wu Foudations of Cellular Neurophysiology P. Nunez, Electric fields of the brain. W.J. Freeman, Mass action in the nervous system. A.Longstaff, Neurobiologia. Krótkie wykłady, PWN G.G. Matthews, Neurobiologia. Od cząsteczek i komórek do układów, PZWL  

Edwin Smith Surgical Papyrus – 1700 BC (‘yś) - mózg

Michał Anioł. Stworzenie Adama (Fresk Michał Anioł. Stworzenie Adama (Fresk. Kaplica Sykstyńska, Watykan, Rzym). 1510.

Meshberger, Frank Lynn. "An Interpretation of Michelangelo's Creation of Adam Based on Neuroanatomy", JAMA. 1990 Oct 10; 264(14):1837-41.

Kroki w poznaniu mózgu 4000 BC Zapisy Sumeryjskie – opis efektu zażycia opium 2700 BC Początki akupunktury 3000 – 1700 BC Starożytny Egipt. Pierwsze dokumenty medyczne opisujące urazy i anatomię mózgu. 2000 BC Trepanacje czaszek w pre-inkaskich cywilizacjach w Am. Płd. 600 – 400 BC Filozofowie Greccy – źródłem duszy i umysłu jest mózg lub serce. 130 – 200 AD Galen - początki fizjologii mózgu (4 płyny: krew, flegma, zółć, czarna żółć) 1543 Vesalius – opis anatomii układu nerwowego (i żeber!). Mózg –centrum umysłu i emocji 1673 Kartezjusz – mózg jako maszyna 1792 Galvani - elektryczna natura układu nerwowego (bioelektryczność!) 1870 Du Bois – Reymond – impulsy elektryczne 1891 Cajal i inni – układ nerwowy składa się z osobnych komórek - neuronów 1897 Sherrington – komunikacja neuronów poprzez synapsy

Kroki w poznaniu mózgu - cd Lata 20-ste Langley, Loewi, Dale i inni - identyfikacja neurotransmiterów Lata 40-ste Shannon, Weaver i Wiener – powstaje teoria informacji i systemów kontrolowanch (cybernetyka) Lata 50-te Hodgin, Huxley, Katz i Eccles – pomiary sygnałów elektrycznych z użyciem mikroelektrod. Mikroskopia elektronowa ujawnia szczegóły budowy neuronów i synaps. Mountcastle, Lettvin, Hubel and Wisel – analiza pojedynczych komórek ujawnia ‘jednostki percepcji’ w mózgu Lata 60-te Poznanie sumacyjnych własności dendrytów i obwodów synaptycznych i przetwarzania informacji bez impulsów. Lata 70-te Poznanie neuromodulatorów i przekaźników II-go stopnia – złożoność oddziaływań neuronalnych. Komputerowe techniki obrazowania i lokalizacji funkcji poznawczych mózgu Molekularne metody analizy informacji genetycznej (rekombinacja DNA) i pojedynczych białek w błonie neuronalnej (patch clamp). Lata 80-te Modele komputerowe układu nerwowego (wzrok, język, pamięć) Lata 90-te i obecne „Dekada mózgu” – integracja informacji z różnych poziomów w celu stworzenia pełnej teorii działania mózgu.

Kroki w poznaniu mózgu - cd 2000 i później Kandel – zrozumienie mechanizmów pamięci Sztuczny mózg: 1cm2 - Blue Brain Project Mózg małego ssaka - C2 (IBM) Inteligencja ssaka - MoNETA: A Mind Made from Memristors Behavioural neuroscience: Rat navigation guided by remote control. Sanjiv K. Talwar, Shaohua Xu, Emerson S. Hawley, Shennan A. Weiss, Karen A. Moxon and John K. Chapin Nature 417, 37-38(2 May 2002) Sztuczna siatkówka –http://artificialretina.energy.gov/

Poziomy organizacji układu nerwowego

Cel wykładu Zrozumienie działania mózgu (naszego zachowania) wymaga zrozumienia mechanizmów na wielu poziomach organizacji i zrozumienia zależności pomiędzy tymi poziomami.

Podział układu nerwowego Struktura układu nerwowego podzielona jest na: Centralny Układ Nerwowy - mózg - rdzeń kręgowy Obwodowy Układ Nerwowy -nerwy korpusu i kończyn niosące informacje od/do mózgu W układzie nerwowym można wyróżnić dwie funkcjonalne części: -układ somatyczny - kieruje pracą mięśni szkieletowych, gruczołów skórnych i komórek barwnikowych skóry. -układ autonomiczny - unerwia narządy wewnętrzne Obwodowy układ nerwowym można podzielić ze względu na kierunek przekazywania impulsów: -cześć sensoryczna -część motoryczna

Brainstem – pień mózgu Midbrain – śródmózgowie Pons – most Medulla oblongata – rdzeń przedłużony

Cerebellum - móżdżek

Diencephalon - międzymózgowie Thalamus - wzgórze

Diencephalon - międzymózgowie Hypothalamus - podwzgórze

Limbic system – system limbiczny Hippocampus - hipokamp

Lateral ventricle – komora boczna

Basal Ganglia – zwoje podstawy Caudate – jądro ogoniaste

Basal Ganglia – zwoje podstawy Caudate – jądro ogoniaste Putamen – skorupa Striatum – prążkowie = jądro ogoniaste + skorupa

Amygdala – ciało migdałowate

Cerebral Cortex – kora mózgowa White matter – isotota biała

Frontal lobe – płat czołowy Temporal lobe – płat skroniowy Parietal lobe – płat ciemieniowy Occipital lobe – płat potyliczny Cerebral Cortex – kora mózgowa Grey matter – isotota szara

Doktryna neuronu Motoneuron rdzenia kręgowego obserwowany pod (ulepszonym) mikroskopem przez Deitersa w 1865. Widoczne dendryty (przedłużenia protoplazmatyczne), ciało neuronu i akson (cylinder osiowy – axis cylinder) Komórki móżdżku obserwowane pod mikroskopem przez Purkinjego, 1837

Doktryna neuronu - cd Camillo Golgi (1843 - 1926) w laboratorium Preparat metodą Golgiego wykonany obecnie Golgi argumentował, że ilość połączeń między neuronami jest tak wielka, że prawa transmisji sygnałów pomiędzy komórkami nie mogą być określone. Wynika stąd, że sieć neuronów ma postać ciągłą (teoria siatkowata). Preparat wykonany przez Golgiego

Doktryna neuronu - cd Santiago Ramon y Cajal (1852 – 1934) Cajal ulepszył metodę barwienia Golgiego, co pozwoliło mu zaobserwować więcej szczegółów. Nie znalazł potwierdzenia teorii siatkowatej i zaproponował że układ nerwowy zbudowany jest z osobnych komórek nerwowych. Struktura siatkówki. Rysunek Cajala (1900)

Doktryna neuronu - cd Wilhelm Waldeyer, niemiecki profesor anatomii i patologii, opublikował w 1891 artykuł z tezą, że teoria komórkowa stosuje się również do układu nerwowego. Waldeyer wprowadził termin ‘neuron’. Jego teoria została ogólnie zaakceptowana i nazwana ‘doktryną neuronu’. Heinrich Wilhelm von Waldeyer-Hartz (1836-1921)

Nagroda Nobla z fizjologii i medycyny - 1906

Komórka nerwowa - neuron

Komórka nerwowa - neuron Średnica aksonu (0,004 mm) do 100 micronów (.1 mm) Neurony jednobiegunowe Neuron dwubiegunowy Średnica włosa 0,02 mm do 0,08 mm. Neurony wielobiegunowe Długość aksonu (1 mm) do ponad 1m U ludzi: Ok. 1011 neuronów w mózgu Każdy neuron ok. 104 połączeń Średnia długość aksonu w korze ok. 2 cm. Całkowita długość aksonów A = 2*109 m Odległość Ziemia – Księżyc L = 4* 108 m A/L = 5

Komórka nerwowa - terminologia Neurony posiadające długi akson, który tworzy połączenie z innym rejonem układu nerwowego nazywają się neuronami projekcyjnymi, neuronami głównymi i komórkami przekaźnikowymi. Neurony wewnętrzne lub interneurony znajdują się w całości wewnątrz jednego obszaru układu nerwowego. Neurony wewnętrzne mogą nie posiadać aksonu.

Dendryty - terminologia Neurony posiadają zazwyczaj jeden akson oraz wiele dendrytów. Wyróżniamy dendryty wierzchołkowe (apical) i podstawne (basal).

Druga składowa układu nerwowego - komórki gleju

Komórki glejowe Komórki glejowe są drugim głównym składnikiem układu nerwowego. W niektórych obszarach są 10 razy liczniejsze niż neurony. Najważniejszą rolą komórek glejowych jest kontrolowanie otoczenia neuronów. Są one zaangażowane w wiele różnych funkcji.

Rodzaje i funkcje gleju Astrocyty: największe i najliczniejsze. Ich funkcja to podtrzymywanie fizyczne i odżywianie neuronów, regulacja zawartości przestrzeni zewnątrzkomórkowej - buforowanie jonów, regulacja neuroprzekaźnictwa (pochłanianie neurotransmitera i zapobieganie dyfuzji poza szczelinę synaptyczną), bariera krew – mózg (?). Microglia: składniki układu odpornościowego, aktywne podczas stanów zapalnych, usuwają ‘zmarłe’ neurony. Oligodendrocyty: wytwarzają mielinę w neuronach centralnego układu nerwowego. Komórki satelitarne (Satellite Cells): podtrzymywanie fizyczne neuronów w obwodowym układzie nerwowym Komórki Schwanna: wytwarzają mielinę w neuronach obwodowego układu nerwowego. Stwardnienie rozsiane (łac. sclerosis multiplex, SM) - demielinizacja włókien nerwowych w obrębie mózgu i rdzenia kręgowego