Wybrane zagadnienia Fizyki Medycznej (Modelowanie struktur mózgowych)

Prezentacja na temat: "Wybrane zagadnienia Fizyki Medycznej (Modelowanie struktur mózgowych)"— Zapis prezentacji:

1 Wybrane zagadnienia Fizyki Medycznej (Modelowanie struktur mózgowych)
Elementy neurobiologii i modelowania ukladu nerwowego Program: 1. Wprowadzenie dotyczące działania mózgu – budowa i poziomy organizacji układu nerwowego. Fizyka błony komórkowej: siły chemiczne i elektryczne, równanie Nernsta. 2. Elektryczność w układzie nerwowym - powstawanie i propagacja potencjału czynnościowego, teoria Hodgkina i Huxleya. Sumowanie impulsów w neuronach. 3. Zjawiska elektryczne w narządach zmysłów, percepcja. 4. Sygnały elektryczne (EEG) i magnetyczne (MEG) mózgu. Sen, czuwanie, padaczka, neurofeedback, interfejs mózg-komputer.  5. Modelowanie zjawisk epileptycznych

2 Widzenie Trójkąt Kanizsa

3 Spektrum elektromagnetyczne
Fale EM o wysokich częstościach (energiach) naruszają trwałość wiązań chemicznych. Fale EM o niskich częstościach (energiach) mają zbyt małe energie by oddziaływać z receptorami. Istnieje wąski zakres, w którym energie nie są ani zbyt duże, ani zbyt małe. Zakres ten nazywamy światłem.

4 Oko u kręgowców Oko jest nakierowane tak, aby obraz został zogniskowany w dołku środkowym (fovea). Cechuje go najostrzejsze widzenie powodowane m. in.: -dużą gęstością fotoreceptorów brak naczyń krwionośnych położenie w okolicy osi optycznej oka co minimalizuje aberracje

5 Fotoreceptory – pręciki i czopki
Rozkład czopków i pręcików w siatkówce oka człowieka Istnieją dwa rodzaje fotoreceptorów: pręciki i czopki Tylko 10% światła wpadającego do oka pobudza fotoreceptory. Reszta ulega rozproszeniu lub absorpcji. Pręciki są 20 razy bardziej liczne niż czopki Pręciki 1000 razy bardziej czułe na światło niż czopki: są, przystosowane do widzenia nocnego. -Czopki są mniej czułe na światło, są przystosowane do widzenia dziennego. Czopki i pręciki w mikroskopie elektronowym

6 Trzy etapy transdukcji
Aktywacja barwnika wzrokowego (fotopigmentu) poprzez światło. Aktywne cząsteczki fotopigmentu aktywują fosfodiestraze (PDE), która zmniejsza koncentracje cyklicznego nukleotydu (cGMP). Zmniejszenie stężenia cGMP powoduje zamknięcie kanałów kationowych, normalnie utrzymywanych przez cGMP w stanie otwartym.

7 Przekaźnictwo w fotoreceptorach
Błysk światła blokuje tzw. prąd ciemnościowy i zmniejszenie potencjału błonowego receptora co powoduje zmniejszone wydzielanie neuroprzekaźnika do komórek bipolarnych.

8 Obwody siatkówki Siatkówka zawiera 5 podstawowych rodzajów neuronów łączących się w obwody. Fotoreceptory – czopki i pręciki; interneurony – komórki dwubiegunowe (Bipolar cell), poziome (Horizontal cell) i amakrynowe (Amacrine cell); komórki wyjściowe siatkówki - komórki zwojowe (GC Off i GC On).

9 Komórki zwojowe „On” i „Off”
Komórki zwojowe siatkówki mają kołowe pola recepcyjne z wyspecjalizowanym centrum (różowy) i otoczką (szary). Komórki „On-center”są pobudzone przez stymulacje centrum ich pola recepcyjnego i hamowane przez stymulację otoczki. Na rysunku widać odpowiedzi (zapisy zewnątrzkomórkowe) obu rodzajów komórek na stymulację świetlną (kolor żółty). A. Komórki „On-center” odpowiadają najsilniej gdy cała środkowa część jest pobudzana (3). Odpowiadają one silnie, lecz nieco słabiej, gdy tylko część centrum jest pobudzona (1). Oświetlenie otoczki punktowe (2) lub w całości (4) zmniejsza lub hamuje zupełnie odpowiedź komórki. Po wyłączeniu bodźca przejściowo pojawia się zwiększona aktywność. Rozmyte oświetlenie całego pola recepcyjnego (5) wywołuje słabą odpowiedź gdyż efekty centrum i otoczki znoszą się nawzajem. B. Spontaniczna aktywność komórki „off-center” zanika gdy oświetlona jest część centralna (1, 3) lecz przejściowo przyśpiesza po wyłączeniu bodźca. Światło padające na otoczkę pola recepcyjnego pobudza komórkę (2, 4). Wniosek: komórki zwojowe siatkówki odpowiadają optymalnie na kontrast i szybkie zmiany oświetlenia w ich polu recepcyjnym.

10 Rodzaje komórek zwojowych
Komórki zwojowe w siatkówce należą do dwóch klas funkcjonalnych, M (magni) i P (parvi). Kazda klasa zawiera komorki On i Off. (P) (M) Komórki zwojowe różniące się własnościami funkcjonalnymi stanowią początek kanałów przetwarzania równoległego w układzie wzrokowym

11 Widzenie barwne A. Rodopsyna w pręcikach wykazuje różną czułość dla różnych długości fali. Receptor jednopigmentowy (Rh lub G) nie rozróżnia kolorów dla których ma tę samą czułość. Również, nie wie, czy zmiana odpowiedzi wynika ze zmiany długości czy natężenia fali. B. W systemie trzypigmentowym, o zachodzących na siebie krzywych czułości, kolor obiektu jest jednoznacznie określony przez stopień aktywacji trzech populacji czopków i nie zależy od jasności obiektu (linia przerywana). Kolor kodowany jest rozkładem aktywności w różnego typu czopkach

12 Widzenie dzienne i nocne
Spektra absorbcyjne czterech fotopigmentów w siatkówce człowieka. Jasne krzywe odpowiadają trzem rodzajom opsyn w czopkach. Ciemna linia odpowiada rodopsynie w pręcikach. Absorbcyjność jest logarytmem intensywności światła padającego podzielonej przez intensywność światła przepuszonego. Czułość oka na różne długości fali adaptuje się do oświetlenia. W ciemnym oświetleniu dominuje widzenie pręcikowe (krzywa przerywana). Przy większej jasności zaczyna dominować widzenie czopkami i krzywa czułości przesuwa się w prawo (linia ciągła).

13 Ciało kolankowate boczne (Lateral geniculate nucleus of the thalamus -
Droga wzrokowa Droga kolankowato-prążkowana: siatkówka, nerw optyczny, skrzyżowanie wzrokowe, ciało kolankowate boczne, kora wzrokowa. Ciało kolankowate boczne (Lateral geniculate nucleus of the thalamus - LGN) Pierwszo- rzędowa kora wzrokowa (V1) Pasmo wzrokowe Skrzyżowanie wzrokowe

14 Lokalizacja uszkodzeń drogi wzrokowej do V1
brak widzenia cięcie brak widzenia cięcie Ze względu na sortowanie włókien z siatkówki w skrzyżowaniu wzrokowym, lewe pasmo wzrokowe i lewy LGN przejmują aksony z lewych stron obu siatkówek. Pozwala to diagnozować niektóre uszkodzenia drogi wzrokowej.

15 Retinotopowa organizacja drogi wzrokowej wstępującej
Kora prążkowa V1 Precyzyjne topograficzne mapowanie siatkówki w wyższych obszarach drogi wzrokowej - retinotopia

16 1-2 - warstwy wielkokomórkowe (M) (magnocellular)
Droga wzrokowa Nerw optyczny rozdziela się w skrzyżowaniu wzrokowym i biegnie do różnych warstw ciała kolankowatego bocznego. Nieskrzyżowane włókna nerwu optycznego unerwiają warstwy 2, 3 i 5. Skrzyżowane włókna unerwiają warstwy 1, 4, 6. 1-2 - warstwy wielkokomórkowe (M) (magnocellular) 3-6 - warstwy drobnokomórkowe (P) (parvocellular). Warstwy wielkokomórkowe i drobnokomórkowe w ciele kolankowatym bocznym

17 Selektywność orientacji przestrzennej w neuronach kory wzrokowej
Najprostszą własnością komórek w V1 jest czułość na brzeg lub linię światła o określonym kierunku, w określonym miejscu pola recepcyjnego. Komórki takie nazywane są komórkami prostymi.

18 Kolumny orientacji przestrzennej
Hubel and Wiesel. Nagroda Nobla z medycyny 1981

19 Kodowanie orientacji bodźca jako wzorca aktywności
obraz na siatkówce natychmiastowa odpowiedź w korze V1 u człowieka (5 mm x 5 mm) stabilna odpowiedź w V1 (po długiej ekspozycji bodźca) całkowita aktywacja podczas stabilnej odpowiedzi neuronów całkowita aktywacja podczas natychmiastowej odpowiedzi neuronów kod koloru – każdy neuron o określonej orientacji jest reprezentowany poprzez kolor

20 Kodowanie orientacji bodźca jako wzorca aktywności
obraz na siatkówce natychmiastowa odpowiedź w korze V1 u człowieka (5 mm x 5 mm) stabilna odpowiedź w V1 (po długiej ekspozycji bodźca) całkowita aktywacja podczas stabilnej odpowiedzi neuronów całkowita aktywacja podczas natychmiastowej odpowiedzi neuronów kod koloru – każdy neuron o określonej orientacji jest reprezentowany poprzez kolor

21 Kodowanie orientacji bodźca jako wzorca aktywności
obraz na siatkówce natychmiastowa odpowiedź w korze V1 u człowieka (5 mm x 5 mm) stabilna odpowiedź w V (po długiej ekspozycji bodźca) całkowita aktywacja całkowita aktywacja Kolumny selektywności na orientacje w V1 u małpy. Z Blasdel GG, Salama G. Voltage-sensitive dyes reveal a modular organization in monkey striate cortex. Nature. 1986; 321(6070): kod koloru – każdy neuron o określonej orientacji jest reprezentowany poprzez kolor

22 Kodowanie orientacji bodźca jako wzorca aktywności
stabilna odpowiedź w V1 (po długiej ekspozycji bodźca) natychmiastowa odpowiedź w korze V1 u człowieka (5 mm x 5 mm) obraz na siatkówce kod koloru całkowita aktywacja podczas natychmiastowej odpowiedzi neuronów całkowita aktywacja podczas stabilnej odpowiedzi neuronów

23 4-ta warstwa korowa obszaru V1
Kolumny dominacji ocznej 4-ta warstwa korowa obszaru V1 Wejście z lewego oka Wejście z prawego oka Oprócz kolumn orientacji przestrzennej, istnieją kolumny dostające wejścia tylko z jednego oka. Ich wizualizacja jest możliwa poprzez synaptyczny transport radioaktywnych aminokwasów wstrzykniętych do jednego oka. Hubel and Wiesel. Nagroda Nobla z medycyny 1981

24 Kolumny dominacji ocznej - efekt jednoocznej deprywacji
Wygląd normalny: Po deprywacji wejścia wzrokowego do jednego oka przez pierwszych 6 tygodni życia. Obszary dostające wejścia z oka normalnego ulegają powiększeniu kosztem obszarów z oka deprywowanego.

25 Podsumowanie: organizacja V1
(Plamki korowe) Każdy moduł (hiperkolumna) zawiera kolumny dominacji ocznej dla lewego i prawego oka oraz kolumny orientacji przestrzennej dla wszystkich orientacji bodźca. Sąsiednie punkty siatkówki są reprezentowane w sąsiadujących ze sobą hiperkolumnach (Kolumny orientacji przestrzennej) Moduł (Kolumny ocznej dominacji)

26 Dwie drogi wzrokowe – ‘Gdzie’ i ‘Co’
Czułość Bodziec M (Y) P (X) Kontrast koloru Nie Tak Kontrast oświetlenia Wysoka Niska Częstość przestrzenna Częstość czasowa Dwie drogi wzrokowe – ‘Gdzie’ i ‘Co’ Tab. Różnice pomiędzy komórkami M i P w LGN Równoległe przetwarzanie informacji wzrokowej odbywa się w dwóch strumieniach. Strumień grzbietowy (dorsal) analizuje informację przestrzenną, ruch i głębię (droga z komórek typu M). Strumień brzuszny (ventral) analizuje kształt i kolor (droga z komórek typu P).

27 Słuch

28 Ucho zewnętrzne, środkowe i wewnętrzne

29 Ucho środowe i wewnętrzne
W uchu środkowym zachodzi transmisja mechaniczna. Młoteczek kowadełko i strzemiączko przekazuje drgania błony bębenkowej do ucha wewnętrznego.

30 (Nie)dopasowanie impedancji
Woda – ucho wewnętrzne Amplitudowe współczynniki odbicia i załamania Energetyczne współczynniki odbicia i załamania opór falowy (impedancja) gęstość ośrodka prędkość rozchodzenia się drgań w ośrodku

31 (Nie)dopasowanie impedancji cd.
Energetyczne współczynniki odbicia i załamania Przechodzi 1/1000 energii fali, strata: 10log101/1000 = -30 dB

32 Transformacja 1 kowadełko młoteczek strzemiączko ~ 3.2 mm2
Błona bębenkowa ~ 55 mm2 Stosunek powierzchni 17:1 Ciśnienie = siła/powierzchnia Poziom ciśnienia dźwięku 20log10P/Pref Zysk: 20log1017/1 = 25dB

33 Transformacja 2 kowadełko 7 mm młoteczek 9 mm Stosunek długości 9:7
Poziom ciśnienia dźwięku 20log10P/Pref Zysk: 20log109/7 = 2 dB

34 Amplituda drgań powietrza dla progu słyszalności
Akustyczna fala biegnąca Energia fali (Epot = Ekin) Natężenie fali Próg słyszalności 0 dB Amplituda fali Amplituda fali dźwiękowej o częstości 440 Hz A < średnica atomu wodoru (~ m)

35 Natężenie dźwięku i poziom natężenia dźwięku
Ludzkie ucho odbiera natężenia z zakresu wartości 10-12– 100 W/m2. Głośność (poziom natężenia) dźwięku jest zdefiniowana jako: gdzie: – poziom natężenia dźwięku I – natężenie dźwięku I0 – wartość odniesienia, wynosząca 10–12 W/m2 Czasami, mówi się też o poziomie ciśnienia dźwięku:

36 Natężenie dźwięku i poziom ciśnienia dźwięku
Natężenie dB Ciśnienie Przykłady 108 W/m *105 Pa Wybuch wulkanu 102 W/m *102 Pa Odrzutowiec, 50 m 1 W/m *101 Pa Gwizdek, 1m 10-2 W/m Pa Disco, 1m od głośnika 10-4 W/m *10-1 Pa Ruchliwa ulica, 5 m 10-6 W/m *10-2 Pa Rozmowa, 1 m 10-8 W/m *10-3 Pa Zacisze biblioteki 10-10 W/m *10-4 Pa Tło w studiu TV 10-12 W/m *10-5 Pa Próg słyszalności Próg bólu Próg dyskomfortu Dopuszczalny poziom cisnienia dzwięku w Apple iPod w Europie 85 dB

37 Jak działa ucho?

38 Jak działa ucho?

39 Jak działa ucho?

40 Jak działa ucho?

41 Jak działa ucho?

42 Jak działa ucho? Wysoka częstość Niska częstość

43 Ślimak i błona podstawna
Ślimak w uchu wewnętrznym ssaków ma kształt muszli ślimaka. Zawiera on narząd słuchu, tzw. narząd Cortiego, w którego skład wchodzi błona podstawna (basilar membrane). Wnętrze ślimaka wypełnione jest płynem zwanym śródchłonką. Po rozwinięciu, ślimak ma kształt stożka zwężającego się ku końcowi. Błona podstawna jest wąska u podstawy i rozszerza się ku końcowi. Różne częstości dźwięku kodowane są za pomocą pomocą pozycji wzdłuż błony – wysokie częstości pobudzają drgania błony u podstawy, niskie częstości, bliżej wierzchołka ślimaka.

44 Rezonansowa teoria Helmholtza
Różne częstości dźwięku są zakodowane przez ich położenie wzdłuż błony podstawnej. Krótkie struny (u podstawy) będą odpowiadać wysokim częstościom, długie struny u wierzchołka będą odpowiadać niskim częstościom

45 Teoria fali biegnącej - Von Bekesy (1928). Nobel 1961
Ciśnienie wywierane na okienko owalne wywołuje falę biegnącą w ślimaku co powoduje oscylacje błony podstawnej w ślimaku Georg von Békésy (1899 – 1972) Obwiednie fal biegnących dla 3 różnych częstości

46 Problem: szeroka obwiednia fali biegnącej a słyszymy czyste tony
Wniosek: musi istnieć dodatkowy mechanizm strojenia systemu słuchowego do częstości dźwięku. Potwierdzenie: drgania błony podstawnej Rola wzmacniacza ślimakowego. (c) maksimum pojawiające się w wyniku działania wzmacniacza ślimakowego, (d) ruch pasywny błony podstawnej bez wzmacniacza ślimakowego.

47 Dwa typy komórek włoskowatych
Na błonie podstawnej występują receptory słuchu – komórki włoskowate. Istnieją komórki włoskowate zewnętrzne i wewnętrzne. Przekrój poprzeczny przez ślimak, pokazujący narząd Cortiego.

48 Dwa typy komórek włoskowatych
Mikrografie ze skaningowego mikroskopu elektronowego ukazujące ułożenie komórek włosowatych wewnętrznych i zewnętrznych oraz ich rzęsek. Komórki zewnętrzne ułożone są w trzy rzędy, a ich rzęski ułożone są w kształcie V. Komórki wewnętrzne leżą w jednym rzędzie.

49 Organizacja i własności wewnętrznych i zewnętrznych komórek włoskowatych

50 Funkcjonalna organizacja wewnętrznych i zewnętrznych komórek włoskowatych
W komórkach włoskowych zewnętrznych zachodzi transdukcja mechano-elektryczna. Ruch włosków powoduje otwarcie kanałów K+ i napływ potasu do wnętrza komórki. Powoduje to aktywacje kanałów Ca2+. Napływ wapnia powoduje modulacje kanałów K+ zależnych od Ca2+. Współdziałanie kanałów K+ i Ca2+ wytwarza oscylujący potencjał błonowy, który wzmacnia się dla wybranej częstości na zasadzie rezonansu. Każda komórka włoskowata ma charakterystyczną dla siebie częstość, na którą odpowiada najlepiej. Powoduje to wyostrzanie częstości oraz umożliwia odpowiedź mechaniczną komórki poprzez sprzężenie napieciowo- mechaniczne (V-M - voltage –mechanical converter).

51 Taniec komórek Zewnętrzna komórka włoskowata podłączona do pipety patch clamp. Przy pomocy pipety regulowany jest potencjał błonowy, odpowiadający obwiedni niskich częstości melodii ‘Rock Around the Clock’. Komórka włoskowata zmienia długość w zależności od napięcia, lecz zachowuje objętość. Za zmianę długości odpowiadają włókna kurczliwe ułożone w kratownice, umieszczone w błonie komórkowej.

52 Wzmacniacz ślimakowy Komórki włoskowate zewnętrzne mechanicznie wzmacniają ruchy błony pokrywającej. Komórki włoskowate wewnętrzne odbierają wzajemne ruchy pomiędzy błoną podstawną i pokrywającą.

53 Krzywa strojenia Krzywe strojenia komórki włoskowatej ślimaka. Krzywa obrazuje próg pobudzenia dla przedziału częstości.

54 Drogi słuchowe Droga słuchowa: - ślimak -jądro ślimakowe
-jądra górne oliwki -wzgórki czworacze dolne ciało kolankowate przyśrodkowe (wzgórze) kora słuchowa Left Auditory cortex Right Auditory cortex Medial geniculate nucleus Cochlea Inferior colliculus Auditory nerve fiber Superior Olivary nucleus Ipsilateral Cochlear nucleus

55 Neurony jądra ślimakowego
Włókna słuchowe rozdzielają się w jądrze ślimakowym do różnych obszarów. W każdym obszarze zachowana jest organizacja tonotopowa. Komórki w CN mają różne własności odpowiedzi na czysty ton. Np. Komórki ‘ON’ służą do przekazywania stymulacji o wysokiej częstości. Komórki typu ‘Pauser’ informuja o rozpoczęciu i kontynuacji stymulacji, komórki ‘Primary-like’ zachowują obwiednie.

56 Lokalizacja dźwięku w jądrach górnych przyśrodkowych oliwki
(medial superior olive) Komórki MSO określają pozycje dźwięku poprzez różnice czasowe dochodzenia sygnałów z obu uszu. Dana komórka MSO odpowiada najmocniej gdy wejścia z obu uszu przychodzą równocześnie. Następuje to w wyniku kompensacji (poprzez różną długość aksonów) opóźnienia spowodowanego różnicą w czasie docierania dźwięku do obu uszu. Systematyczna (i odwrotna) zależność w opóźnieniu obu wejść tworzy mapę źródła dźwięku. Na rysunku, komórka E byłaby najbardziej czuła na dźwięki z lewej strony, A – na dźwięki z prawej. Komórka C odpowiada na dźwięki z przodu. Rozdzielczość czasowa komórek ~ 10 ms

57 Lokalizacja dźwięku w jądrach górnych bocznych oliwki
(lateral superior olive) Komórki LSO kodują położenie źródła dźwięku poprzez różnice w intensywności. LSO otrzymują wejście pobudzające z ipsilateralnego jądra ślimakowego. Wejście z jądra kontralateralnego jest hamujące. Układ wejść pobudzających i hamujących powoduje, że komórki LSO odpalają najmocniej w odpowiedzi na bodziec znajdujący się z boku, z tej strony co LSO (najmocniejsze pobudzenie, najsłabsze hamowanie). Dźwięki z przodu powodują najsłabsze pobudzenie LSO (pobudzenie równoważy hamowanie).

58 Organizacja tonotopowa
Mapowanie tonotopowe czyli odwzorowanie częstości na lokalizację przestrzenną na błonie podstawnej ślimaka. Przekrój przez jądro ślimakowe kota ukazujący przestrzenną reprezentację charakterystycznych częstości ślimaka. Mapowanie tonotopowe jest zachowane wzdłuż całej ośrodkowej drogi słuchowej i występuje w pierwszorzędowej korze słuchowej.