Obecná neurofyziologie Centrální nervový systém - vedle endokrinního a imunitního systému je hlavním regulačním systémem organizmu, - ve svém účinku je endokrinnímu a imunitnímu systému nadřazen, - jeho regulační děje jsou rychlejší než regulace humorální a imunitní. Mezi neurony (základní strukturální a funkční jednotka nervového systému) existují různé typy kontaktů, ale důležité je, že neuron se pouze dotýká – jeden neuron nepřechází v druhý – podstata tzv. neuronové teorie (Ramon y Cajal). Člověk má 15 – 25 miliard neuronů a 300 miliard kontaktních ploch – synapsí. Neurogeneze (tvorba nervových buněk) probíhá u altriciálních (nezrale se rodících) živočichů i po narození, na rozdíl od živočichů prekociálních (zrale se rodících). Nervová soustava je tvořena 2 základními druhy buněk: 1. neurony – strukturální a funkční jednotka, 2. neuroglií – má převážně podpůrnou a metabolickou funkci.
Funkční rozdělení neuronu Strukturální rozdělení: - tělo, - výběžky těla – dendrity a neurity. Funkční rozdělení – na úseky: - receptivní segment (dendrit) – přivádí informace do těla (soma) neuronu, které je pro neuron současně i trofickým segmentem, - iniciální segment – je místem vzniku akčního potenciálu, - vodivý segment (neurit-axon) – vede informaci (vzruch) na další neuron, - transmisivní segment (synapse) – předává informace na velké množství dalších neuronů, a to na jeho receptivní, buněčné, axonální segmenty. Tělo neuronu - tvoří ho membrána podobná jiným buněčným membránám, obsahující receprotry a iontové kanály, - jádro – obsahuje deoxyribonukleovou kyselinu (DNA), - jadérko – obsahuje ribonukleovou kyselinu (RNA), - v cytoplazmě neuronu jsou: : endoplazmatické retikulum, : Nisslova substance a ribozomy uplatňující se při tvorbě bílkovin, : mitochondrie zajišťující buněčný metabolizmus, : neurotubuly a naurofilamenta spojené s axoplazmatickým transportem. Dendrity – jsou většinou krátké, bohatě větvené, rozšířené do dendritických trnů. Neurit (axon) - dlouhý výběžek obsahující ribozomy, malé množství mitochondrií a neurotubuly, - transport látek axonem je různě rychlý a závisí na druhu transportované látky : anterográdní transport – obvyklý transport látek – z buněčného těla,
-
: retrográdní transport – méně častý – do buněčného těla (šíření virů a toxinů), iniciální část axonu je holá, další úsek kryje pouze Schwannova pochva (šedá vlákna) nebo také pochva myelinová (bílá vlákna)
Vzruch -
vzniká při působení podnětu na vzrušivou tkáň (receptor, nervová buňka, nervové vlákno).
Podnět = energie, změna zevního nebo vnitřního prostředí, která působením na vzrušivou tkáň vybavuje vzruch. Podráždění = obecný projev dráždivosti, jenž je nezbytným předpokladem pro vznik vzruchu. Podráždění je místní, většinou se nešíří, a když, tak se ztrátou (s dekrementem) účinku. Vzruch – představuje speciální formu podráždění, která se šíří po nervovém vláknu podle zákona „vše nebo nic“, a to bez dekrementu. Podmínky účinnosti podnětu Na podněty zevního nebo vnitřního prostředí odpovídají receptory. Podněty, které působí na senzorické receptory dělíme podle: - modality (specificity), - kvality, - kvantity 1. Modalita působení podnětu – závisí na tom, který receptor daný podnět vnímá, - exteroreceptory – přijímají podněty ze zevního prostředí organizmu, - interoreceptory – přijímají podněty z vnitřního prostředí organizmu. Rozdělení exteroreceptorů: - telereceptory (dálkové) – zrak, vestibulární aparát, sluch, - mechanoreceptory – působí na ně přímý kontakt s podnětem (kožní sometostatické receptory), - chemoreceptory – čich a chuť. Mezi ineteroreceptory patří: - chemoreceptory, - osmoreceptory, - baroreceptory, - proprioreceptory. 2. Kvalita působení podnětu – na stejné receptory působí různé kvality podnětu. Např. u somestézie: lechtání, šimrání, škrábání, teplo, chlad. 3. Kvantita působení podnětu – je určena intenzitou. Např. tóny různé výšky, intenzita tlakových podnětů, koncentrace látek ve vnitřním prostředí. Účinnost podnětu spočívá v tom, že jej receptory zachytí a organizmus na něj reaguje. Proto musí být podnět dostatečně silný, musí působit po určitou dobu a musí nastat dostatečně rychle.
1. Podnět musí být dostatečně silný: : prahová intenzita – nejmenší intenzita podnětu, která vyvolá reakci, : prahová a nadprahová intenzita – vyvolává odpověď, : podprahová podněty – odpověď nevyvolávají. 2. Podnět musí mít minimální trvání: - čím je podnět slabší, tím delší musí mít trvání a naopak. 3. Rozdíl mezi výchozím a novým stavem musí nastat dostatečně rychle: : když probíhá změna prostředí pomalu, podnět není účinný a reakci nevyvolá, nastává vplížení podnětu, : o účinnosti podnětu rozhoduje rychlost změny (pravidlo Du Bois-Reymondovo) Chronaxie - určuje vztah mezi intenzitou a trváním podnětu, - umožňuje měřit dráždivost vzrušivých struktur (nervů, svalů, senzorických orgánů). Prahová intenzita podnětu, která vyvolá odpověď, působí po dobu tzv. určitého času (t), se označuje jako reobáze (R). Podnět o dvojnásobku reobáze (2R) potřebuje k vyvolání odpovědi kratší čas a označuje se jako chronaxie. Závislost intenzity na trvání podnětu znázorňuje Hoorwegova-Weissova křivka (podprahové podněty vlevo od ní, nadprahové podněty vpravo). Měření chronaxie Nejprve se stanoví reobáze, ta se zdvojnásobí, a tak se zjistí chronaxie. Určení chronaxie je běžným klinickým vyšetřením. Projevy vzruchu - elektrické, - chemické. Elektrické projevy Stejně jako v jiných tkáních i v nervové tkáni existuje v klidu potenciální rozdíl mezi jejím vnitřkem a povrchem. Vnitřek – negativní, Povrch – pozitivní, - potenciálový rozdíl (- 60 až – 90 mV) se označuje jako klidový potenciál. Při působení podnětu vzniká vzruch, který se projeví změnou polarity (vnitřek pozitivní a povrch negativní) = depolarizace a její max. úroveň přesahuje až do kladných hodnot (+ 30 až + 40 mV). Akční potenciál, který takto vzniká, má hodnotu 110 – 120 mV a trvá 1 - 3 ms. Chemické projevy Klidový potenciál vzniká nerovnoměrným rozložením iontů K+, Na+ a Cl- na obou stranách membrány. V klidu je membrána prostupná mírně pro K+ a Cl- na obou
stranách membrány a neprostupná pro Na+. Koncentrace K+ uvnitř je mnohonásobně (30x) vyšší než zevně a naopak koncentrace Na+ a Cl- je zevně mnohonásobně vyšší. Rozdíl koncentrací vysvětluje klidový potenciál. Polarizace nervového vlákna je po proběhnutí vzruchu ještě krátkou dobu snížena – následná depolarizace. Potenciálová změna probíhá dále, ale pomaleji a polarizace převýší původní úroveň negativního potenciálu – následná hyperpolarizace. Tyto změny souvisejí se změnami dráždivosti. Dráždivost během vzruchu Období latence = období od začátku podnětu do dosažení depolarizace, kdy vzniká vzruch. Absolutní refrakterní fáze = při průchodu vzruchu je nerv nedráždivý, Relativní refrakterní fáze = období, kdy je dráždivost snížena, v období následné depolarizace je vystřídána supernormální fází, kdy je dráždivost zvýšena. V období následné hyperpolarizace – subnormální fáze – je dráždivost opět snížena. Vedení vzruchu Místem vzniku akčního potenciálu je iniciální segment axonu. Dále se vzruch šíří podle zákona „vše nebo nic“, a to znamená, že místní podráždění dosáhne hodnoty vzruchové aktivity, následně maximální hodnoty – depolarizace – a šíří se po nervovém vláknu bez dekrementu tak, že mezi aktivní oblastí, kde vzruch vznikl, a mezi neaktivním úsekem před vzruchovou vlnou vznikají elektrické proudy spojené s otevíráním Na+ kanálů, což mění propustnost membrán pouze před postupující vlnou. Takto se vede vzruch po nemyelinizovaných vláknech. Po myelinizovaných vláknech se vzruch šíří skokem – saltatorně, protože myelinová pochva působí jako izolátor a výměna iontů nastává pouze v obnažených úsecích na Ranvierových zářezech. Rychlost šíření vzruchu závisí na síle nervových vláken. Čím je vlákno silnější, tím vedu vzruch rychleji. Fyziologicky se vzruch šíří od těla neuronu po vodivém k transmisivnímu segmentu – ortodromní vedení. Šíření opačným směrem, většinou patologické, se nazývá antidromní vedení. Jednosměrnost vedení zajišťuje synapse.
Spojení mezi neurony – synapse -
zajišťuje kontakt mezi neurony, spojení se uskutečňuje mezi dvěma neurony, z nichž jeden vytváří presynaptickou a druhý postsynaptickou část synapse; mezi nimi je synaptická štěrbina.
Rozšířená presynaptická část axonu obsahuje u chemických synapsí synaptické váčky ( vezikuly), v nichž se soustřeďuje neurotransmiter (přenašeč). Presynaptická membrána – část buněčné membrány, která je ztluštělá (zvýšená denzita) a prochází jí transmiter. Subsynaptická membrána – část buněčné membrány kontaktního neuronu s větší denzitou. Typy synapsí 1. Jednoduché – chemické: a) axo-dendritické – kontakt axonu a dendritu (nejčastější), b) axo-axonální – kontakt axonů dvou neuronů, c) axo-somatické – spojení axonu a těla neuronu. 2. Jednoduché – elektrické: - mají velice těsné membránové spojení, označované jako nexy, - přenos podráždění se uskutečňuje konexony, které převádějí informace z jednoho neuronu na druhý prostřednictvím iontů. Neuronové receptory a iontové kanály Neuron má na povrchu receptory a iontové kanály. Neuronové receptory - útvary bílkovinné povahy, - skládají se z několika podjednotek, které procházejí lipoproteinovou částí buněčné membrány a vyčnívají z ní na obě strany – na zevní straně (obvykle aminová skupina – NH2) a dovnitř (karboxylová skupina – COOH). Toto uspořádání umožňuje transmiterům vazbu na jejich aktivní místo. Iontové kanály - otvory (póry) v membráně neuronu, které se otevírají dvěma způsoby: : 1. přímo – působením iontů (nepaměťové), : 2. nepřímo – působením transmiterů na receptory v membráně neuronu: tato vazba umožní otevření iontového kanálu. Podle místa účinku rozeznáváme na neuronech 2 typy receptorů: 1. Ionotropní receptory – navázáním transmiteru (ligandu) otevřou iontový kanál přímo. 2. Metabotropní receptory - navázáním ligandu aktivují řetězec metabolických dějů, a ten umožní otevření iontového kanálu. Mezi ionotropní receptory řadíme: 1. acetylcholin-nikotinové a některé glutamátové receptory, které působí na iontové kanály prostupné pro Na+ a Ca2+, 2. receptory GABAA (γ-aminomáselnou kyselinou) a glycin, které působí na kanály prostupné pro Cl-.
1. 2. 3. 4.
K metabotropním patří receptory: acetylcholin-muskarinové, katecholaminergní, některé glutamátové, GABAB.
Aktivace metabotropních receptorů - začíná aktivací některého proteinu ze skupiny G (proteiny vázaně s guanozintrifosfátem – GTP), který aktivuje primární enzym; Primární enzym produkuje druhého posla, který přenáší signál na další enzym, nebo přímo na regulační protein. Mezi nejúčinnější molekuly při metabolickém přenosu z G-proteinů patří enzym adenylátcykláza. Elektrické projevy synaptického přenosu 1. Na chemických synapsích Excitační postsynaptický potenciál (EPSP) - označení pro vzniklou potenciálovou změnu, - vzniká na větším počtu synaptických spojení a jejich sumací (prostorová sumace) vzruchová úroveň stoupá, až vybaví akční potenciál. Vzruchová úroveň stoupá také sumací vzruchové aktivity v čase – časová sumace. Změny, které vznikají při obou druzích sumace = facilitace. Synaptické zpoždění – zpoždění vznikající příchodem vzruchu k presynaptické části synapse, uvolněním transmiteru z váčků a ději na postsynaptické membráně. Kromě excitačních synapsí, jejichž projevem je EPSP, nacházíme v CNS i inhibiční synapse, jejichž elektrickým projevem je hyperpolarizace a vznik inhibičního postsynaptickéhoo potenciálu (IPSP) – je zprostředkován hlavně interneurony při reciproční inervaci a na Renshawových buňkách (RB) v míše. 2. Na elektrických synapsích Vzruch se na el. synapsích přenáší tak, že v postsynaptickém neuronu vzniká EPSP elektrickým můstkem s nízkým odporem, a přenos je proto rychlejší. Další příčinou rychlého přenosu je odpadnutí výlevu transmiteru z váčků. Změny synaptického přenosu Účinek neurotransmiterů na synapsích může být změněn: 1. Neuromodulátory – látky, které mohou mít pozitivní (zvyšují), nebo negativní (snižují vliv na tvorbu nebo uvolnění transmiteru. Jako neuromodulátory působí lokální hormony (VIP, somatostatin), z exogenních látek, např. psychorarmaka.
2. Agonisty a antagonisty. Na receptor se kromě specifického transmiteru vážou i jiné látky (ligandy), které se vyznačují afinitou k receptoru. a) agonisté – mají stejný účinek jako specifický transmiter, b) antagonisté – blokují působení specifického transmiteru tím, že se vážoou na jeho místo. 3. Inverzní antagonisté – jejich působení se projevuje opačným účinkem než působení agonistů. 4. alosterickou modulací – buď potlačuje vazbu, nebo schopnost receptoru vázat ligand. Funkční vlastnosti synapsí Děje na synapsích jsou charakterizovány: - jednosměrností vedení vzruchu, - synaptickým zdržením, - sumací a facilitací dějů, - excitací nebo inhibicí, - únavou.
Funkce neuroglie a extracelulárního prostoru Neuroglie - je intersticiální složkou nervového systému, - zabezpečuje metabolizmus neuronu, - podílí se na homeostáze, - vytváří bariéru proti vstupu látek do CNS, - spolu s mozkomíšním mokem a extracelulárním prostorem tvoří 50% extraneuronového objemu nervstva, - Dělíme ji na: : makroglii – tvoří ji : Astroglie – zprostředkovává styk mezi neuronem a krevními vlásečnicemi. : Oligodendroglie – tvoří myelin pro pochvy axonů v mozku. : Ependymální buňky – vystýlají dutiny CNS a společně s cévami tvoří plexus chorioideus, v němž vzniká mozkomíšní mok. : mikroglii – pomáhá odstraňovat z extracelulárního prostoru K+ a svou fagocytární schopností se uplatňuje při některých chorobách. Extracelulární prostor - tvoří 15 – 25 % extraneuronového objemu centrálního nervového systému, - jeho hlavní funkcí je zajištění stálé koncentrace iontů.
Některé zvláštnosti cévního zásobení a metabolizmu mozku Mozkem proteče 20 % minutového objemu srdečního. Zvláštnosti cévního řečiště mozku jsou: 1. kapilárami protéká stálé množství krve, neboť v mozku nejsou arteriovenózní anastomózy, 2. tlak krve v mozku nezávisí na změnách systémového tlaku, což je způsobeno uspořádáním oběhu (circulus arteriosus – Willisi). Sytém mozkových bariér Látky z krve nepřestupují do nervové tkáně přímo, ale systémem bariér: Druhy mozkových bariér: 1. hematoencefalitická – mezi krví a nervovou tkání, 2. hematolikvorová – mezi krví a mozkomíšním mokem, 3. likvoroencefalická – mezi likvorem a nervovou tkání (její existence je však sporná) Hematoencefalitická bariéra Transport látek touto barierou se uskutečňuje: : prostou difuzí – např. kyslík, oxid uhličitý, voda, : aktivním transportem – např. D-glukóza, laktát, l-tyrozin. Mozkomíšní mok (cerebrospinální likvor) - tvoří se z krevní plazmy v plexus chorioideus ve III. mozkové komoře a v postranních komorách, a to nepřetržitě v množství 0,5 ml/min, 720 ml/24 hodin, - cirkuluje subarachnoidálním a komorovým prostorem. Resorpce likvoru do venózního systému je realizována subarachnoidálními klky a závisí na jeho tlaku. Rovnováha vstřebávání a tvorby je při tlaku 1 kPa. Složení: čistý, bezbarvý, pH dosahuje hodnoty 7,33, specifická hmotnost 1003 – 1008, obsahuje malé lymfocyty a monocyty, jeho množství je 150 ml. Tlak: vleže 0,7 – 1,4 kPa, v sedě je 2x vyšší. Funkce: pro mozkovou tkáň tvoří ochranu, vyrovnává změny jejího objemu, má nezastupitelnou úlohu trofickou a distribuční. Energetický metabolizmus nervstva Glukóza – hlavní energetický substrát pro činnost nervstva, - tvoří 20 % její celkové spotřeby v organizmu. Mozek nemá rezervní akumulující mechanizmy pro kyslík. Dodávky kyslíku proto závisí na sycení arteriální a venózní krve a udržení jejich plynulého oběhu. Nedostatečné zásobení mozku kyslíkem i glukózou se projeví ztrátou vědomí. Při normální teplotě po delší době než 5 minut dochází ke smrti neuronů. Při poklesu glykémie nastává nejprve zmatenost, bezvědomí, křeče a nakonec smrt.
