Computational Neuroscience Zoltán Somogyvári senior research fellow KFKI Research Institute for Particle and Nuclear Physics Supporting materials: http://www.kfki.hu/~soma/BSCS/
BSCS 2010 Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok /
Computational Neuroscience
Structure – Dynamics – Implementation – Algorithm – Computation - Function Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok /
The brain and the computer
Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok / 3
Hierarchy of description Mind Body
?
Nervous System Peripheral
Central
Brain Neurons Membrane potential Under treshold
Spinal Cord Glial cells Chemistry Action potential
Frequency
Time patterns
Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok / 4
Brain of vertebrates (mammals) as visible with naked eye
human 1. medulla oblongata 2. pons 3. cerebellum 4. mesencephalon 5. metencephalon
6 5 4 2
3 1
rat
Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
thalamus hypothalamus epithalamus 6. telencephalon ganglia basalis cortex paleocortex archicortex ➢ hippocampus, ... neocortex ➢ lobus frontalis ➢ lobus parietalis ➢ lobus occipitalis ➢ lobus temporalis
Lengyel Máté: Biológiai alapok / 5
Elementary unit of the nervous system: The neuron Parts of the neuron: dendrite soma nucleus axon initial segment terminal
Function: reception integration reproduction transmission encoding output
synapse
communication
glia myelin sheath Ranvier-nodes
background speed up amplification
Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok / 6
Types of neurons Pyramidal cell in the cerebral cortex
Purkinje cell in the cerebellum
Bipolar cell in the retinal
Reticular cell in the thalamus
Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Mitral cell in the olfactory bulb
Lengyel Máté: Biológiai alapok /
The cell with electronmicroscope
nucleus cytoplasm membrane
lipid bilayer proteins integral peripheral extracellular space (EC) intracellular space (IC)
Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok / 8
Trough the cell membrane Forces of ion transport Different permeability, for different ions and molecules
Membrane transport, trough proteins • pumps (+energy!) • channels • transporters
Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok / 9
Discovery of the electricity in animals
Galvani, De Viribus - Electricitatis in Motu Musculari. 1792. Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok / 10
The electric neuron: resting potential with electrode
The phenomenon: Potential difference between the two side EC and IC of the membrane
Reason:
Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
on the two different sides of the membrane: • different concentrations of ions on • the two side of the membrane • different permeability for different • ions Lengyel Máté: Biológiai alapok / 11
The generation of the resting potential
Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok / 12
The electric neuron: action potential with electrode
What is the action potential? A short change in the membrane potential
Traveling action potential Time: 0 ms
Time: 1 ms
Time: 2 ms
firing threshold potential resting potential
The action potential is an 'all or none' phenomenon Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok / 13
Between two neuron: The synapse Ionotrophic (A) and metabotrophic (B,C) receptors
Excitatory and inhibitory postsynaptic potentials
Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok / 14
Excitatory and inhibitory neurotransmitters Glutamat (information transmission) Serotonin (mood, wake/sleep)
GABA-gamma aminobutyric acid (in the central neural system)
Acetlicholin (neuromuscular junction) Noradneraline (arousal)
Glycine (in the periphery)
Dopamine (reward system, Parkinson disease, schizophrenia) Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok / 15
Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félév http://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Lengyel Máté: Biológiai alapok /