Neurofiziologie -cursNoțiuni introductive- organizarea sistemului nervos (SN) Cap. 10

Generarea, transmiterea şi procesarea semnalului in sistemul nervos

Fiziologia senzorială

Excitabilitate- noțiuni generale

Medical Physiology- W.F.Boron

Target Audience. We wrote Medical Physiology primarily as an introductory text for medical students, although it should also be valuable for students in the allied health professions...

Noţiuni introductive

Organizarea morfofuncţională a sistemului nervos

Macroscopică

Microscopică

Funcţională

Noţiuni introductiveSistemul nervos (s.n.) – cel mai complex sistem din orgs. mediază comportamentul de la mișcările simple și percepția senzorială până la învățare, memorie și conștiință.

Este organul minții și răspunzător pentru capacitatea umană de invenție, descoperire

și limbaj.De fapt, cea mai importantă funcție, capaci-tatea creierului uman de a gândi este greu de înțeles.

Organizare morfofuncţională a SNMacroscopică

-sistem nervos central

-sistem nervos periferic

Microscopică

-celule: neuroni

-celule: celule gliale sinapse

Somatic Vegetativ(autonom)

-teoria neuronală – H. von Waldeyer.1891

-bariera hemato-encefalică-relații metabolice

Aspectul vizual

Imagine prin spectrul de difuziune- harta fibrelor nervoase

http://www.sciencemag.org/content/335/6076/1628).

Gigandet X, et al. Estimating the Confidence Level of White Matter Connections Obtained with MRI Tractography. PLoS ONE 3(12): . (2008)

Funcții principale ale neuronului și celulelor gliale

-metabolism energetic

-sinteza moleculară

-transport-anterograd -retrograd

-coducere

Compartmentalizarea neuronalăNeuronii sunt polarizați și au proteine membranare distincte pt. fiecare domeniu al neurilemei.Sinteza proteinelor apare, în special în corpul neuronal, mai puțin in dendride RE neted și rugos, ap. Golgi; este absentă în axon.Mitocondria: prezentă in corpul celular,butonul terminal, este traficată in axon. Transportul axoplasmatic antero- și retrograd al moleculelor în vezicles de-a lungul microtubulilor este mediat primicrotubule-associated proteins (MAPs ): 1. kinezina pentru transp. anterograd-enzime, proteine2. Dyneina pentru transport retrograd: NGF, alti factori de creștere, molecule captate din mediul extracelular.Transport anterograd- 400 mm/zi

retrograd 200-300 mm /ziQuantum content

Lungimea totală a capilarelor cerebrale- 400 mile

Distanța neuron-capilar - 20 µm

Circulația cerebrală -bariera hemato-encefalică

- bariera hemato lichidiană

Cerebrospinal fluid (CSF)

• Volume = 150 ml, daily production = 500 ml

• Formation of CSF: 2/3 as secretion from the choroid plexuses in the 4

ventricles, but mainly in the 2 lateral ventricles; 1/3 as secretion by the

ependymal surfaces of the ventricles and by the arachnoid membranes

• Function:

– mechanical protection;

– distribution of neuroendocrine factors

– „volume buffer“: regulate ICP when tissue/ intracranial blood volume rises

Monroe-Kelly doctrine: V-CSF+V-blood+V-brain tissue = const.

CSF distributed in

-ventricles of the brain

-cisterns around the

outside of the brain

-subarachnoid space

around both the brain and

the spinal cord

Organizare morfofuncţională a SN

-14.000 gene exprimate în dezvoltarea și funcționarea creierului

-Genomul uman- cca. 22.000 gene

Suportul genetic al SN

This neuroepigenetic view suggests that DNA, RNA and protein each influence one another to produce a holisticcellular state that contributes to the formation and maintenance of memory, and predicts a parallel and distributed system for the consolidation, storage and retrieval of the engram.

Marshall P. Bredy T W. Cognitive neuroepigenetics: the next evolution in our understanding of the molecular mechanisms underlying learning and memory?. NPJ Sci Learn. 2016.

Organizarea funcţională a SNCreierul holistic

Epigenetic mechanisms have been suggested to have roles in neuroplasticity, in particular with regard to learning and memory forma-tion, and in a range of neural diseases. In addition to epigenetic marks, the human genome also contains large-scale compart-mentalized structures that might also influence neuroplasticity and neural disease. These structures result from variations in the amounts of GC% and in the timing of DNA replication and give rise to longitudinal differentiation (light and dark bands) along chromosomes after the appropriate staining.

Epigenetic modifications, such as methylation, acetylation, or phospho-rylation of histone proteins or methylation of the DNA, can cause changes to chromatin structure. These changes in chromatin structure may alter the binding of transcription factors or enhancer element binding proteins to promoter sites, thereby modifying gene transcription patterns Watanabe Y et al. Epigenetic basis of neuronal plasticity: Association with

R/G-band boundaries on human chromosomes. Neuroepigenetics 7 (2016)

Excitabilitate - capacitatea

(condiţia) unui sistem viu de a

capta semnale specifice, ca formă

de actualizare a informaţiei,

necesară organizării lui întru

adaptabilitate şi continuitate.

Leon Zăgrean

Excitabilitate- noțiuni generale

Optogenetics integrates genetic targeting and optical stimulation to achieve temporally precise manipulation of genetically and spatially defined cell types in intact tissue, and has influenced the study of the central nervous system and other systems across a broad range of model organisms and behaviors.

Mattis J…Grădinaru V. Nat Methods. 2014

Mecanisme celulare şi

moleculare ale

excitabilităţii

NIH scientists uncover genetic explanation for frustrating syndrome.

Scientists at the NIH have identified a genetic explanation for a syndrome characterized by multiple frustrating and difficult-to-treat symptoms, including dizziness and lightheadedness, skin flushing and itching, gastrointestinal complaints, chronic pain, and bone and joint problems

www.nih.gov/news-events/news-releases/nih

JJ Lyons et al. Elevated basal serum tryptase identifies a multisystem disorder

associated with increased TPSAB1 copy number. Nature Genetics. 2016.Oct 17

The phenomenon of “animal electricity” is central to the understanding of physiological processes. Throughout this book, we will describe many basic functions of tissues and organs in terms of electrical signals mediated by cell membranes. Whereas electrical currents in a metal wire are conducted by the flow of electrons, electrical currents across cell membranes are carried by the major inorganic ions of physiological fluids: Ca2+,

Na+, K+, Cl−, and HCO3− . Boron and Boulpaep. Medical Physiology. 2012

La nivelul cel mai

elementar, noi nu

suntem o reacţie

chimică ci o sarcină electrică...

Câmpul electromagnetic este realitatea fizică cu care suntem în contact permanent şi nemijlocit, deşi nu avem simţuri pentru a o percepe. În odaia în care stăm, în parcurile în care ne plimbăm, în noi înşine, totul este plin de câmp electromagnetic, în fiecare moment, datorită câmpului electromagnetic, fiecare cută a fiinţei noastre este pătrunsă de toate melodiile care se cântă pe Pământ, ba şi de şoapte din afara lui, rostite poate cu miliarde de ani în urmă. A.Ţugulea- Câmpul electromagnetic? Ed. Agir, 2011

Hans Berger

de la telepatie la EEG -1926

Interacţiunea

stimul - receptor - răspuns

chimic

fizic

stimul

R e

c e

p t

o r

P r

o c

e s

o r

?răspuns

…Due to its ability to give rise to

spontaneous activity, the brain does

not simply process information but

also generates information.

György Buzsáki

...spontaneous neuron activity, far

from being mere noise, is actually the

source of cognitive abilities.

...the source of spontaneous neuron

activity (noise), has never been

identified and has been assumed to

result from brain’s imperfections.

Citation

ReportAuthor: Buzsaki G

Results found (no. of papers): 274

Sum of the Times Cited: 27. 404

Average Citations per paper : 100

h-index (Hirsch index): 86

ISI Web of Science®

Published Items in Each Eear Citations in Each Year

Interrelaţiile dintre propietăţile membranei celulare

şi principalele dimensiuni ale existenţei

sistemelor biologice

identitate

excitabilitate

adaptabilitate

evoluţie

Premise

permeabilitate

selectivă

membranară

Molecule

hidrofobe Subst.

steroidice

O2

CO2N2

Apă

Glicerol

Uree

ZaharozăGlucoză

Na+, H+, K+

Ca2+, Mg2+

HCO3-, Cl-

Molecule

mici

nepolare

Molecule

mari

nepolare

Ioni

Halobacterium salinarium

- Canale ionice

- Pompe ionice

Sistemul de transport ionic membranar (STIM)

Mecanisme ale transportului ionic

- Cotransportori

AntiportoriSimportori

- Transportori ionicitransport activ secundar

transport pasiv

transport activ primar

Por (canal fără poartă)

Aquaporina

Permeabilitatea membranei

celulare depinde de:

-interacţiunea ionilor cu apa

-bistratul lipidic membranar

-canale ionice

K+ansă de selecţiefiltru de selecţie

OO

O OO

O

Filtrul de selecţie

vestibul

por

citosol

ΦNa = 0,095 nm

ΦK = 0,133 nm

Canale ionice

- controlate fizic

- controlate chimic:

- mecanic

Canale ionice controlate (gated)

Canale ionice fără poartă necontrolate (nongated)

- termic TRP

- de voltaj

- neurotransmiţători- ioni, H+- produşi metabolici ş.a

Canale ionice cu poartă

Particularităţi:-permit un flux controlat rapid

-participă la generarea, transmiterea sau modularea potenţialului de acţiune

-au fost descoperite primele

-prezintă o diversitate mai mare

-reprezintă principala ţintă terapeutică

Canal (por cu poartă)

Mecanisme de funcționare

S

2

S

6

S

4

S

3S

5

S

1

Etapele transportului unui solvit (S) prin intermediului transportorului membranar

Boron and Boulpaep. Medical Physiology. 2012

Canale ionice controlate de voltaj

Canale de Na+ voltaj- dependente

Structura canal de Na voltaj dependent

identificat 1970

PP

Curent de poarta

_ _ SCTXTTX

+ +

+ +

+ +

+

+ +

+ +

+ +

+

__ __

LA

Senzor de voltaj

Bis

trat

lip

idic

BTX

Poarta

Po

r

Extracelular_ _ SCTXSCTXTTXTTX

+ +

+ +

+ +

++

+ +

++

+ +

+ +

+ +

+ +

+

__ __

LALA

Senzor de voltaj

Bis

trat

lip

idic

BTXBTX

Poarta

Po

r

Extracelular

poartă de

inactivare

poartă de

activare

extracelular

membrană

celulară+

Canale de Na+ voltaj- dependente

REPAUS (închis)

+

INACTIVAT (închis)

ACTIVAT (deschis)

+

Canale voltaj-dependente- Canale pentru Na+

- distribuţie – 30-10000/µm²- 10 gene pt. Na V

-subunitatea α - (α1- α9/ Nav 1- 9)

-subunitatea β

-1800-2000 aa- formează porul canalului

- controlează transportul ionic- ancorează canalul în membrana

celulară

- structură

Canale de Na+ voltaj- dependente

- transport - 107 ioni/sec./canal

- rol

- faza depolarizare a PA- conducerea PA in fibrele nervoase

-canalopatie-paralizie periodică hiperkaliemică –inactivarea întârziată a Na V muscular

Distribuţie, rol

Canale de Na+ voltaj- dependente

Nav 1-3, Nav 6-9 – în SNP, SNC cu rol in durere – pot fi mai multe tipuri pe acceaşi celulă nervoasă

Nav 4-5 – în m. scheletic şi miocard

Nav1.6 – în celule imune, microglia şimacrofage

Canale pentru K+

voltaj-dependente

- diversitate genetică - 200 gene (peste 78 la om)

- rectificare

- modularea excitabilităţii celulare prin re-/hiperpola-rizarea membranei

- controlul duratei p. a.

- rol:

Canale pentru K+ voltaj-dependente- clasificare

-cn.K tip M - Ach

- cn.K+ dependente de vol. cel.

-cn.K dependente de Ca – cel βpancreatice

-cn.K dependente de ATP- cel.β-pancreatice- ATP închiderea cn. K depolarizare -miocardice- ATP/ADP

activarea cn K hiperpolarizare

Saxitoxină

Novocaina

TEA

TTX

Variaţia PA indusă de blocanti

Mordecai P. Blaustein. Cell. Physiol.and Neurophysio. Ed. Elsevier 2012

Canale pentru Calciu voltaj-dependente- distribuţie - 100/µm²- transport - 180000 ioni/sec./cn -tipuri: - activat la potenţial înalt pozitiv

- modulat - AMP c

- blocanţi: - dihidropiridine: nimodipin, nifedipin, nicardipine;

L

- fenilalchilamine: verapamil, gallopamil;- benzotiazepine :

diltiazem

Canale pentru Calciu voltaj-dependente

Canalopatii legate de canale de tip L

-cecitate congenitală diurnă - hemeralopie

-cecitate congenitală nocturnă- nictalopie

Canale de Calciu voltaj-dependente

-Tipuri:

P/Q:

T:- conductanţă mică

- rol -pacemaker

- activat la voltaj intermediar

- activat la potential negativ

N: - blocant - ω-conotoxină

P-cel.Purkinje; blocant- ω-agatoxină Q- cel granulare; ω - agatoxină

- blocant- mibefradil

Canale ionice controlate mecanic

membrană

celulară

poartăproteină

fibrilară

situs de

ancorareextrcelular

intracelular

Când celula este alungită, proteina fibrilară

fixată pe situsul de ancorare deschide

poarta canalelor ionice

membrană

celulară

extrcelular

intracelular

membrană celulară

intracelularsitus de ancorare

proteină fibrilară

Când distanța dintre două celule învecinate

crește, proteina fibrilară fixată pe situsul de

ancorare dintr-o celulă, deschide poarta

canalelor ionice din celula învecinată

Canale ionice controlate termic (vezi superfamilia TRP)

TRPV1 - temperatura >430C

TRPM8 – temperatura 8-28 0C, mentol

TRPA1 – usturoi, mustar

Tranzient Receptor Potenţial TRP superfamily ion channels

(Superfamilia canalelor ionice cu potenţial tranzitoriu de receptor) -sunt activate de diferiţi factori: -fizici: lumină, variaţii de

temperatură; -chimici: Vaniloizi , Melastatină, Policistină, Mucolipină şi Anicrină-permit transportul cationilor, în special Ca şi Na

TRP superfamily ion channels

TRPC (canonical): TRPC1, TRPC2, TRPC3/6/7, TRPC4/5

-sunt canale pentru Ca şi/sau Na

-sunt activate de PLC activată prin: a)cuplarea receptorilor de către liganzi =receptor operated channels -DAG- TRPC3, TRPC6- vasoconstricţie

b)Ca din depozitele celulare = store-operated channels

transp. pasiv

transport membranar

difuzie

simpla

mediată

de canalemediată de

transportori

mediată de

pompe

transport activ

bistrat

lipidic

canal

proteic transportori

Gradient de

concentraţie

adaptat după MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL. 2008

COTRANSPORTORI

COTRANSPORTORI

particularităţi funcţionale

POMPE IONICE

- transport activ-ioni, mol. organice

- implică reacţii enzimatice

- rată mică de transport

NNN

CCC

SSSiiitttuuusss dddeee llleeegggaaarrreee aaa CCCaaa222+++

EEExxxtttrrraaaccceeelll

IIInnntttrrraaaccceeelll...

SSSiiitttuuusssuuulll AAATTTPPP---aaazzzeeeiii

CCCaaalllmmmoooddduuullliiinnnăăă

AAA

SSSiiitttuuusssuuulll dddeee llleeegggaaarrreee aaa AAATTTPPP

Pompa de Ca

-excitabilitate

Funcțiile transportului ionic

-reglare metabolică

-cuplare metab.-excitabilitate

-metab. neurotransmițători

-presiune osmotică,

volum celular

Transport ionic membranarConcluzii

Interrelaţii excitabilitate-metabolism

Distribuţia sarcinilor electrice

timp (ms)

+20

- 60

Pm

(m

V)

Variaţia potenţialului de membrană în raport cu

activitatea celulei nervoase

repolarizaredepolarizare

hiperpolarizare

depolarizare

repolarizare

Nerst

Vm = lnzXF

RT [X]i

[X]o

Potenţial de acţiune

50

0

m

V PA

Na+

K+

Canale ionice – Ach

Schema generala a receptorului de NMDA

N-metil-D-aspartat; PCP- fenciclidina; MK-801 - dizocilpina

Ka

ina

t

20

0 n

M,

CA

3

CONTROL CRIZĂ CRIZĂ EVOCATĂ SPONTANĂ

Bic

ucu

lin

ă

20

M

, C

A3

B

A

Echilibrul excitatie inhibitie/relația agonist-antagonist

Legenda pt. relația agonist-antagonist

A. Administrarea de Kainat (agonist glutamat-

ergic) induce după cca. 10 min activitate

electrică epileptiformă (aee), inițial, după

stimulare electrică, ulterior, în mod spontan.

B. Administrarea de Bicuculină (antagonist

GABAergic), induce după cca. 10 min activitate

electrică epileptiformă (aee), inițial, după

stimulare electrică, ulterior, în mod spontan.

Inregistrările aee au fost realizate pe secțiuni de

creier animal, perfuzate cu lichid cefalorahidian

artificial, in care au fost administrate kainat și

bicuculină.