Az agykéreg szerveződése
1
Az agykéreg evolúciója
A neocortex alapszerkezete
1,5-4,5 mm vastag 100 milliárd neuron, 10-15x ennyi glia 50000 neuron/mm3 citoarchitektonika (Brodman) myeloarchitektonika koniocortex v. granuláris agranuláris (motor, premotor) eulaminált v. homotipikus (asszociációs) rétegek 1-6
2
A neocortex alapszerkezete
1,5-4,5 mm vastag 100 milliárd neuron, 10-15x ennyi glia 50000 neuron/mm3 citoarchitektonika (Brodman) myeloarchitektonika koniocortex v. granuláris agranuláris (motor, premotor) eulaminált v. homotipikus (asszociációs) rétegek 1-6
Az agykéreg sejttípusai 1. piramissejtek (70 %) sejtrégiók Betz (A4 motor tractus pyramidalis) Meynert (V1, l. 5-6,coll. sup., pons) morfológia és tüzelés regular spiking, burster, chattering tüskés csillagsejtek (spiny stellate) l. 4 “fast spiking” helyi axon, nincs apikális dendrit GABAerg sejtek (20 %) posztszinaptikus régió szerint (~hippocampus) rétegek Cajal-Retzius l.1, Martinotti l.6 tüzelés: FS, RSNP, bitufted, LS, IS, bursting
3
A piramissejtek típusai: anatómia
A piramissejtek típusai: tüzelés
pyr
10 µm
4
A piramissejtek tüzelését befolyásoló ionáramok 1.
A piramissejtek tüzelését befolyásoló ionáramok 2.
5
Sejttípustól függő visszaterjedés
A piramissejtek tüzelése 3: Visszaterjedés a szómába és a dendritekbe Szimultán háromelektródás whole cell patch clamp elvezetés egyetlen piramissejten:
1 piramissejt 2
3
3 Purkinje sejt és interneuron
2 1
A Na-csatornák az axon iniciális szegmentumon sűrűsödnek
6
A feszültségfüggő ioncsatornák eloszlása sejtterület függő H-áram / HCN csatornák
5 mV 100 ms
Pyramidal cell
Az agykéreg sejttípusai 2. piramissejt (70 %) sejtrégiók Betz (A4 motor tractus pyramidalis) Meynert (V1, l. 5-6,coll. sup., pons) morfológia és tüzelés regular spiking, burster, chattering tüskés csillagsejt (spiny stellate) l. 4 “fast spiking” helyi axon, nincs apikális dendrit GABAerg sejtek (20 %) posztszinaptikus régió szerint (~hippocampus) rétegek Cajal-Retzius l.1, Martinotti l.6 tüzelés: FS, RSNP, bitufted, LS, IS, bursting
7
A tüskés csillagsejtek jellemzői
A tüskés csillagsejtek jellemzői Tüskés csillagsejt és piramissejt patkány barrel kéregben
8
Az agykéreg sejttípusai 3. piramissejt (70 %) sejtrégiók Betz (A4 motor tractus pyramidalis) Meynert (V1, l. 5-6,coll. sup., pons) morfológia és tüzelés regular spiking, burster, chattering tüskés csillagsejt (spiny stellate) l. 4 “fast spiking” helyi axon, nincs apikális dendrit GABAerg interneuronok (20 %) klasszikus morfológiai típusok: kosársejt, kettős csokor sejt, kandeláber sejt, rétegek Cajal-Retzius l. rétegben tüzelés: FS, RSNP, bitufted, LS, IS, bursting neurokémiai markerek szerint: parvalbumin, somatostatin, NPY, calretinin
Pyramidal cell
Double bouquet cell
Martinotti cell
Fast spiking cells basket cell
9
Neurogliaform sejtek jellemzői későn tüzelő tüzelési mintázat 100.
Cajal eredeti készítménye és rajza: "cellule neurogliforme" (Defelipe and Jones 1988, p. 590)
100 µm
Fast spiking cells
Kandeláber sejt Szentágothai (1975) Brain Res, 95, 475.
10
Az agykéreg kéregalatti bemenetei 1. Thalamus minden kéregterületre l.4-be sűrűbb a bemenet perifériás topográfia megmarad, nagyítási faktor (Whitteridge) barrel kéreg (Van der Loos) 20 kéregalatti terület monoaminerg dopamin - rostralis mesencephalon noradrenalin - locus coeruleus serotonin - raphe kolinerg extrinsic - nucl. bas. Meynerti, diagonal band of Broca l.1 intrinsic GABAerg intrinsic extrinsic - basalis elöagyból GABAerg sejtekre
Szomatoszenzoros projekciós térképek
11
Szomatoszenzoros projekciós térképek: barrel kéreg
(Woolsey and Van der Loos, 1970)
Az agykéreg kéregalatti bemenetei 2. Thalamus minden kéregterületre l.4 sűrűbb perifériás topográfia megmarad, nagyítási faktor (Whitteridge) barrel kéreg (Van der Loos) 20 kéregalatti terület monoaminerg dopamin - rostralis mesencephalon noradrenalin - locus coeruleus serotonin - raphe kolinerg extrinsic - nucl. bas. Meynerti, diagonal band of Broca l.1 intrinsic GABAerg intrinsic extrinsic - basalis előagyból GABAerg sejtekre
12
Az agykéreg kortiko-kortikális kapcsolatai a bemenetek 99 %-a feedforward l.2/3->l.4 feedback l.5-6->l.1, l.4 axonhossz fehérállomány 9m/mm3, szürkeáll. 3km/mm3 lokális dominancia vetítési “foltok” Szinaptikus kapcsolatok típusai kémiai Gray I (84 %), glutamáterg (AMPA, NMDA, kainát, mGluR) Gray II (16 %), GABAerg (GABAA: gyors, GABAB: lassú) térfogati jelátvitel, extraszinaptikus hatások elektromos Kapcsolási alapsémák soros modell, laterális inhibíció (Hubel, Wiesel) rekurrens modell Lorente de Nó oszlopos szerkezet orientációs oszlopok optical imaging agykérgi modul Információ kódolás tüzelési ráta koincidencia detekció oszcillációk
Szubszinaptikus és extraszinaptikus receptor eloszlás
AMPA, GABAA
NMDA
mGluR, GABAB
13
A piramissejtek szinaptikus kapcsolatai Pyramidal cell
Paired recording
Monosynaptic EPSPs
dendritic spine and shaft
pyr
pyr
10 µm Reciprocal connections
Az agykérgi neuronok szinaptikus céljai Pyramidal cell dendritic spine and shaft
Double bouquet cell Neurogliaform cell
Martinotti cell
Fast spiking cells
dendritic shaft and spine
dendritic shaft and spine
soma, dendritic shaft
basket cell
axo-axonic cell axon initial segment
a
ais
14
Az agykérgi interneuronok a posztszinaptikus sejtek eltérő területein végződnek
Double bouquet cell
Neurogliaform cell Martinotti cell
Basket cell
Axo-axonic cell
Pyramidal cell
Az interneuronok szinaptikus kapcsolatai 1
pre
Martinotti sejt Neurogliaform sejt
poszt
poszt poszt
kosársejt
15
Az interneuronok szinaptikus kapcsolatai 2: Gátlás GABAA és GABAB receptorokon át pre
Martinotti sejt Neurogliaform sejt
kontroll
bicuculline
poszt
kosársejt
+CGP35348 kimosás
Phasic and tonic inhibition through GABAA receptors
Farrant and Nusser 2005 Nat Rev Neurosci 6, 215
16
Gain control by tonic inhibition
Brickley et al. 2001 Nature 409, 88
GABAA receptors responsible for phasic and tonic inhibition have different subunit composition
GABA released by neurogliaform cells
Glykys and Mody 2007 Neuron 56, 763
17
Neurosteroids modulate tonic inhibition through GABAA delta receptors
Glykys and Mody 2007 Neuron 56, 763
Farrant and Nusser 2005 Nat Rev Neurosci 6, 215
Neurogliaform cells are primary targets for alcohol
Mody et al. 2007 Alcohol 41, 145
18
Pairing of inputs with characteristic densities of voltage gated ion channels GABAA + GABAB
HCN1 density (gold / µm)
Distal
0.0
0.5
1.0
1.5
Neurogliaform cell
dendritic membrane
Martinotti cell
spine membrane
GABAA
Proximal
dendritic membrane
Na channel density low
spine membrane soma membrane
GABAA Basket cell
Na channel density GABAA high Axo-axonic cell
Pyramidal cell
Az interneuronok kimenete sejttípus szelektív Neurogliaform cell GABAA +GABAB
Martinotti cell interneuron specific interneuron
GABAA
GABAA
Basket cell GABAA
Axo-axonic cell Pyramidal cell
19
Az interneuronokat elektromos szinapszisok kötik össze interneuron-interneuron: connected
piramid-pyramid: not connected
Az elektromos szinapszisok a dendritek között találhatók 10 µm
0.2 µm
0.1 µm
Action potentials signal through gap junctions
Presynaptic action potentials
50 ms
Postsynaptic response, control 0.3 mV
NBQX, AP-5
Presynaptic action potential 5 ms
Postsynaptic responses (control and drugs)
20
Az elektromos szinapszisok hatása kombinálódik a kémiai szinapszisok működésével
10 µm
Presynaptic action potential
Electron microscopically verified sites of interaction
25 ms
Postsynaptic responses control
GABA 4 0.5 mV
bicuculline
Presynaptic action potential 2 ms
Postsynaptic responses
gap junction 1
GABA 3 GABA 2
gap junction 2
GABA 1
bicuculline control
Az információáramlás agykérgi sémái Lorente de Nó (1938) reverberatory circuit
Lorente de Nó, in FA Beach, DO Hebb, CT Morgan, HW Nissen, eds., The Neuropsychology of Lashley (New York: McGraw-Hill, 1960 )
Donald O. Hebb (1949) memory formation with functionally linked cell assemblies
Lorente de Nó, in J. F. Fulton: Physiology of the Nervous System, Oxford University Press, 1949)
A
B
C
D
21
Az információáramlás agykérgi sémái
Feed-back inhibition
Agykérgi oszlopok
22
Agykérgi oszlopok: The Blue Brain project 104 neuron, 108 intrinsic synapses, 104 input synapses, 104 output synapses IBM eServer Blue Gene: 22.8 teraFLOPS, 8096 CPUs, 100 kW
Agykérgi orientációs oszlopok
rate coding
23
Agykérgi orientációs oszlopok: Optical imaging módszer
Agykérgi orientációs oszlopok: Optical imaging módszer Orientation pinwheels
24
Agykérgi orientációs oszlopok: In vivo kétfoton képalkotás Rat (not columnar)
(.avi)
Cat (columnar)
(.avi)
Az agykérgi működés időviszonyai: Koincidencia azonosítás
Spike time dependent synaptic plasticity between monosynaptically coupled pyramidal cells
25
Az agykérgi működés időviszonyai: Szinkronizáció és a kötési jelenség
cross-correlations
autocorrelations
Arcimboldo (1527-1593): Autumn Singer (1989): sychronization (< 5ms) binding different features into a perceptual entity
Az elektromos szinapszisok hatása kombinálódik a kémiai szinapszisok működésével
10 µm
Presynaptic action potential
Electron microscopically verified sites of interaction
25 ms
Postsynaptic responses control
GABA 4 0.5 mV
bicuculline
Presynaptic action potential 2 ms
Postsynaptic responses
gap junction 1
GABA 3 GABA 2
gap junction 2
GABA 1
bicuculline control
26
Gamma frequency synchronization via gap junctions and GABAergic synapses Presynaptic 40 Hz cycle
Presynaptic 40 Hz spike train
40 mV 25 ms
Postsynaptic firing, consecutive single sweeps
25 presynaptic entrainment
Firing probability (%)
20
15 control 10
5
0 0
5
10
15 20 Time (ms)
25
30
27
Az axonból hiányzik a klorideltávolító molekula
GABA
ClCl-
ClNa+ K+ 2Cl-
kosársejt
K+ Cl-
ClClCl-
kandeláber sejt ClGABA
ClCl-
Az axon kezdeti szakasza az idegsejtek legérzékenyebb pontja Funkcionális polaritás
dendritek
bemenet
sejttest
integráció
Axon iniciális szegmentum
kódolás axon
kimenet
28
A kandeláber sejt a leghatékonyabb serkentő sejttípus
serkentő sejt
kandeláber sejt
serkentő sejt
kandeláber sejt
A kandeláber sejtek a neuronhálózat karmesterei: Több, mint egy bit!
Szabadics et al. Science (2006) 311, 234-236
29
A kandeláber sejtek segítenek az összetett információcsomagok kialakulásában
Hebb-féle neuronhálózat B
A
C
D
30
