Információ

A neuronok ingerlékenysége

A neuronok ingerlékenysége


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

[A következőkben a) két konkrét kérdés szerepel (a végén), b) kísérlet a diszpozíciós fogalom (ingerlékenység) geometriai és fizikai megragadására.]

Feltételezem, hogy a "neuron ingerlékenysége" ésszerű fogalom (és mérőszám) az idegsejtek megkülönböztetésére: vannak (amint látni fogjuk) olyan idegsejtek, amelyek többé -kevésbé ingerlékenyek (számszerűsíthető módon).

Mit jelent az "ingerlékenység"?

Az $ E $ ingerlékenység működési szempontból úgy definiálható, mint egy neuron érzékenysége az izgató szinaptikus bemenetekre. Matematikailag megfogalmazva: az izgalmi szinapszisok arányának (tizedes logaritmusa), amelyeknek egyidejűleg aktívnak kell lenniük (azaz gerjesztő posztszinaptikus potenciált, EPSP -t kell generálniuk) ahhoz, hogy közösen kiválthassuk az akciópotenciált.

Legyen $N$ az idegsejt összes gerjesztő szinapszisának száma, $n$ pedig az egyidejűleg aktív szinapszisok minimális száma, amely egy akciós potenciál kiváltásához szükséges:

$$E = log frac{N}{n}$$

Ha az arány 100% (összes a gerjesztő szinapszisoknak aktívnak kell lenniük), $E = log (1) = 0$, ha csak 10%, $E=1$ (nagyobb gerjeszthetőség), ha 1%, $E = 2$, és így tovább.

Hogyan határozható meg az $E$ egy adott neuronhoz? A fent megadott működési definícióval:

  1. Számolja meg a gerjesztő szinapszisok $N$ tényleges számát.

  2. Becsülje meg a minimális $ n $ számú egyidejűleg aktív szinapszist, amelyre szükség van egy akciós potenciál kiváltásához (ismételt kísérletekkel).

Különösen a $ n $ második számot lesz elég nehéz kísérletileg elérni. De van egy alternatív módja ennek a számnak a becslésére, a neuron egyszerűsített modellje alapján:

  • Minden szinapszis egyenlő (átlagos) $ r $ távolsággal van az axon dombvidékétől (ahol az akciós potenciál keletkezik).
  • A szinapszisban generált EPSP $ u $.
  • A szinapszisból az axondombba utazó EPSP-k állandó bomlási állandó $alpha$.
  • Az akciós potenciál generálásának küszöbértéke $ heta$.

Amikor a $m$ szinapszisok egyidejűleg $u$ méretű EPSP-t generálnak, ezek az EPSP-k összegeződnek az axondombnál

$$ U = mx ux 10^{-alpha r}$$

Csak akkor, ha $ U geq theta $ akciópotenciál jön létre, vagyis az egyidejűleg aktív szinapszisok minimális száma akciópotenciál létrehozásához

$$ n = 10^{alpha r} frac{ heta}{u}$$

Ezzel megbecsülhetjük a $E = logfrac{N}{n} = log 10^{-alpha r}frac{N u}{ heta}$ gerjeszthetőséget

$$E = -alpha r + log(N) + log frac{u}{ heta} $$

Az $ alfa $, $ u $ és $ theta $ több fizikai állandó (többé -kevésbé azonos minden típusú idegsejt esetében?), $ r $ és $ N $ nagymértékben függ a neuron tetszőleges geometriájától/morfológiájától ( különösen a hosszabb és erősebben elágazó dendritek több szinapszissal rendelkeznek).

Konkrét kérdéseim a következők (kérem, csak "igen" vagy "nem" választ adjon):

  1. Vizsgálták -e az ingerlékenység tulajdonságait (a fenti működési értelemben) a) egyes idegsejtek esetében, b) idegsejtek morfológiai típusai esetében?

  2. Megfigyelhető-e szignifikáns összefüggés a morfológiai típus és az ingerlékenység között? Ne feledje, hogy a nagyobb dendritikus fák nagyobb $ r $ (csökkenő $ E $), de nagyobb $ N $ (növekvő $ E $) értékkel is rendelkeznek.

(Utolsó megjegyzés: A $ r $ és $ N $ közötti kapcsolat egy neuronban részben tükröződik a dendritikus fa szerkezetében - különösen az elágazás mértékében.)


Az izgatottságot határozottan tesztelték és mérték, de nem vagyok biztos a pontos definíciójában (nehéz bizonyítani a negatívumot).

A neuron típusok közötti "ingerlékenység" különbségeire két általános megközelítést tudok gondolni.

1) Egyszerűen megfontolhatja a tüzelési sebességet, és meghatározhatja a cellákat "gerjesztettebbnek" egyszerűen, ha többet tüzelnek vagy alacsonyabb az áramküszöbük (bár óvatosnak kell lenni a küszöb tényleges "mV" értékének értelmezésekor, mert a nyugalmi potenciál és a bemenet az ellenállás kulcsfontosságú, és a küszöbértékek dinamikusak).

Ezeknek a paramétereknek semmi közük a rajtuk lévő szinapszisok számához vagy a szinapszisok számához, amelyek a tüzeléshez szükségesek; ha túlságosan ezekre a paraméterekre összpontosít, kockáztathat egy összehasonlítást, amely nem minden esetben hasznos (lásd az alábbi analógiát). Ez a megközelítés a legalkalmasabb a sejttípusok összehasonlítására.

2) A második típusú ingerlékenység a sejt belső tulajdonságait érinti: mi a bemeneti ellenállása, a tüske küszöbértéke, mennyi áramot kell beadni a szómába, hogy tüskét idézzen elő, stb. Ezek a tulajdonságok valóban változhatnak sejttípusonként , de tényleg az (1) összefüggésében kell gondolkodni, hogy elkerüljük ugyanazokat a problémákat az alábbi analógiával. A cella közel lehet a küszöbértékhez, de nagyon kicsi bemeneteket kap; azt a sejtet izgatóbbnak kell tekinteni, mint egy másikat?

Ehelyett inkább van értelme gondolkodni ingerlékenység változásai: "hogyan befolyásolja az X manipuláció a K -sejt ingerlékenységét?" Ha megváltoztatja az áram mennyiségét, amelyet be kell fecskendeznie a soma -ba, hogy tüskét idézzen elő a sejt depolarizációjával vagy a bemeneti ellenállás növelésével, akkor azt mondaná, hogy növeli az ingerlékenységet. Tapasztalataim szerint messze ez az elsődleges módja annak, ahogyan az "ingerlékenységet" az idegtudományban tárgyalják, nem pedig az idegsejtekenként változó tényezőként. A Google Scholarban kerestem a "neuron ingerlékenység" kifejezést: az első 20 találat mindegyike az izgalom egyik állapotból vagy manipulációból a másikba való megváltozásával összefüggésben használta.

Egy érintőleges analógia (a probléma az ingerlékenység javasolt definíciójával):

Az ingerlékenység javasolt meghatározása olyan, mint a jövedelem fizetés gyakorisága vagy a csekken szereplő számok alapján történő mérése. Minden bizonnyal összehasonlíthatja a munkákat ezen érdemek alapján, és bizonyos esetekben érvényesek lehetnek arra, amit általában "jövedelemnek" gondol, de amint országok (azaz agyi régiók vagy sejttípusok) közötti váltásra kerül. megváltozik, és hirtelen a számjegyek száma sem segít, mert nem tudja, hogy angol fontról, amerikai dollárról vagy brazil realról beszél-e. És még egy populáción belül is, ha a fizetés hetente, nem pedig havonta érkezik, a csekk azonos névértéke teljesen más éves jövedelmet jelent (azaz ha egy sejt ritkán aktív szinapszisokkal rendelkezik, kevésbé járul hozzá a depolarizációhoz, mint a szinapszisok) állandóan aktívak).

Hozzájárulás az ingerlékenységhez

A kérdésed ezt sugallja morfológia az ingerlékenység meghatározó jellemzője. Egy korábbi kérdésében Magee, J. C. (2000) ismertetésére irányítottam. Az izgató szinaptikus bemenet dendritikus integrációja. Természet vélemények. Idegtudomány, 1 (3), 181. - ez az áttekintés itt is alkalmazható. Az aktív konduktivitások a dendritekben és a szinaptikus tulajdonságok variációja a szomától való távolsággal (minél nagyobb, gyorsabb EPSP -k vannak, minél távolabb vannak a szomától) szabályozzák az EPSP -k hatását a távolságra, így nem támaszkodhat csak a passzív tulajdonságokra. Ez azt is jelenti, hogy nem lehet egyszerűen feltételezni, hogy egy sejt, amely sok szinapszissal van távol a szómától, nem ingerelhető.

Vannak azonban egyértelműen eltéréseket a tüzelési gyakoriságban és a tüzelési küszöbértékekben az idegsejt altípusok között, és ezeket úgy is értelmezheti, hogy különbségeket mutat az ingerlékenységben. Sok dolgozat beszél a belső tulajdonságok sokféleségéről vagy a sejtek tüzelési arányáról. Ide sorolok párat további olvasáshoz:

Llinás, R. R. (1988). Az emlős neuronok belső elektrofiziológiai tulajdonságai: betekintés a központi idegrendszer működésébe. Science, 242 (4886), 1654-1664.

Izhikevich, E. M. és Edelman, G. M. (2008). Az emlős thalamocorticalis rendszerek nagyszabású modellje. Országos Tudományos Akadémia közleményei, 105 (9), 3593-3598.

Azt is fontos felismerni, hogy az ingerlékenység igen dinamikus és az egyik állapotban erősen izgatott sejtek nem biztos, hogy olyan izgatottak egy másik állapotban, bár morfológiájuk nem változik.


A NYU biológusai jobb utat fejlesztenek ki a "csendes" neuronokhoz

Az elektromos ingerlékenységet a szervezet számtalan fiziológiai funkcióra használja fel, beleértve az idegsejtek közötti kommunikációt és a szívverés szabályozását. A kóros elektromos túlzott ingerlékenység által okozott betegségek, mint például az epilepszia és a szívritmuszavar, katasztrofálisak lehetnek. A New York -i Egyetem biológuscsapata új és hatékony módszert fedezett fel az idegsejtek & ldquosilencing & rdquo & ndash hatékony blokkolására elektromos ingerlékenységük & ndash, egy új csavar bevezetésével a standard genetikai technikán.

Az új módszer rávilágít arra, hogy az idegsejtek elektromos aktivitása milyen központi szerepet játszik a test cirkadián ritmusának, vagyis a belső óra szabályozásában. Segíthet a jövőbeni hatékonyabb kezelések kifejlesztésében olyan betegségek kezelésére is, amelyeket az idegsejtek és más elektromosan gerjeszthető sejtek és szövetek rendellenes elektromos aktivitása okoz. Az eredményeket a Cell május 17-i számában tették közzé.

Todd C. Holmes, a NYU biológia -adjunktusa vezetésével a csapat kifejlesztett egy kísérleti tesztesetet, amely a módosított káliumcsatorna -gének expressziójának irányításával irányítja a Drosophila -i idegkör elektromos aktivitását. A káliumcsatornák az elektromos ingerlékenység & ldquobrakes & rdquo -jaként működnek. A NYU csapata szuper-káliumcsatornává módosított csatornát használt munkájához. Általában az idegsejtek aktivitása széles tartományban változik, és az elektromos aktivitás pillanatnyi változásai az információ kódolását szolgálják. Azzal érveltek, hogy módosított káliumcsatornák expresszióját lehet használni az elektromos aktivitás pillanatnyi változásainak csillapítására.

A team&rsquos tesztáramkör az elektromos ingerlékenység szabályozására a cirkadián pacemaker neuronáramköre volt. A pacemaker neuronokban az elektromos aktivitás szabályozza a szervezet molekuláris óráját, amely 24 órás (cirkadián) pihenési és aktivitási cikluson tartja.

Azáltal, hogy módosított káliumcsatorna -géneket vezetett be a cirkadián pacemaker -neuronokba, a csapat képes volt az idegsejteket negatív potenciálban tartani, ami elnémítja az idegsejteket és leállítja az elektrokémiai információk áramlását. Meglepő módon ez a szervezet szabadon futó molekuláris órájának teljes deaktiválását is eredményezte, amely általában 24 órás ritmusban forog. A szabadon futás az óra állandó sötétséggel való kihívását jelenti. Gyakorlatilag minden élőlény képes megtartani normális cirkadián tevékenységi ciklusát, ha sok napon át állandó sötétségben él. A NYU csapat és az rsquos kutatás új eredménye azt jelzi, hogy az elektromos tevékenység korábban nem sejtett központi szerepet játszik a molekuláris óra működésében.

& ldquoA korábbi munkák a molekuláris óra összetevőinek számító dedikált órafehérjék szintjének cirkadián emelkedésének és csökkenésének szabályozására összpontosítottak. Kutatásaink azonban azt mutatják, hogy az elektromos tevékenység alapvető eleme az órának. Ez más szervezetekre is érvényes lehet, talán az emberekre is - mondta Holmes.

A cirkadián ritmusok területén végzett kutatás robbanásszerűen felrobbant az elmúlt évtizedben. A korábbi kutatások nagy része előrelátó genetikai megközelítést alkalmazott, amely révén sok ezer mutáns állatot hoznak létre olyan kezeléseknek kitéve, amelyek véletlenszerűen mutációkat indukálnak, majd a kutatók átvizsgálják az élőlények viselkedésbeli változásait, és megpróbálják azonosítani a felelős géneket. A Holmes & rsquo team & rsquos kutatások fordított genetikai megközelítést alkalmaznak, amelynek révén a kutatók megváltoztatnak vagy bevezetnek egy ismert gént, és figyelik, hogy milyen hatással van a szervezetre, ezáltal képet kapva a gén működéséről. Az eredmény nemcsak egy nagyon specifikus felfedezés volt az elektromos aktivitással és a molekuláris cirkadián órával kapcsolatban, hanem az elektromos ingerlékenység általános szabályozásának jobb megértése.

&bdquoEz a felfedezés már fontos betekintést nyújtott a gyümölcslégy viselkedésének szabályozásába. Ugyanilyen fontos, hogy csodálatos új eszközöket biztosít számunkra az emlősök idegrendszerének feltárásához” – mondta Henry A. Lester, Bren biológia professzor a California Institute of Technology-n.

& ldquo Azt jósolom, hogy ennek az általános megközelítésnek a neurobiológiában elképesztő alkalmazási köre lesz. Előfordulhat, hogy egy nap már alig várjuk, hogy ezeket a genetikai technikákat az elektromos ingerlékenységből eredő betegségek kezelésére alkalmazzuk” – jegyezte meg Holmes.

Todd Holmes a Kaliforniai Egyetemen szerzett BA-diplomát biológiából, majd az MIT-n szerzett PhD fokozatot neurobiológiából. 1998-ban csatlakozott a NYU&rsquos karához. Kutatásai az ioncsatorna szabályozásra és a biomérnökségre összpontosítanak. A Cellben megjelent cikk "A Drosophila pacemaker neuronjainak elektromos elnémítása megállítja a szabadon futó cirkadián órát" című cikke Michael N. Nitabach, a Holmes laboratóriumban dolgozó posztdoktori ösztöndíjas és Justin Blau, a biológia adjunktusa társszerzője volt. NYU.

A történet forrása:

Anyagokat biztosít New York -i Egyetem. Megjegyzés: A tartalom stílus és hossz alapján szerkeszthető.


A neuronális ingerlékenység modulálása nem idegsejtek által fiziológiai és kórélettani körülmények között

A neuronális ingerlékenység homeosztatikus szabályozása stabilitást biztosít az ideghálózat számára, ami elengedhetetlen a normál agyműködés fenntartásához. Egyetlen neuronban az idegsejtek ingerlékenységét belső membrántulajdonságokkal és ionos vezetőképességgel lehet modulálni, amely meghatározza az akciós potenciál kialakulásának valószínűségét. Míg szinaptikus és áramköri szinten a neuronális ingerlékenységet serkentő vagy gátló szinaptikus átvitelek, hálózati oszcillációk modulálják. Az idegsejtek ingerlékenységének szabályozása neuropszichiátriai rendellenességekhez vezethet, mint például epilepszia, depresszió, autizmus, skizofrénia.

Az agy neuronjait gliasejtek veszik körül, beleértve az asztrocitákat, a mikrogliákat, az oligodendrocitákat stb. Például az asztrociták aktív szerepet játszanak a neuronok metabolitokkal való támogatásában, az agyi véráramlás szabályozásában, a háromoldalú szinapszis kialakításában, valamint az extracelluláris transzmitterek és ionok homeosztatikus koncentrációjának fenntartásában. A Microglia a parenchyma és a vér-agy gát mikrokörnyezetét vizsgálja. Mind az asztrociták, mind a mikrogliák reagálnak számos helyi környezeti és patofiziológiai sértésre, mint például a neuronális aktivitásokra, az idegsejtek károsodására és a gyulladásos citokinekre. Képesek befogadni a szinaptikus elemeket és szabályozni az idegrendszer kialakulását mind az éretlen, mind a felnőtt központi idegrendszerben. Az oligodendrociták mielinhüvelyt termelnek, és támogatják és szigetelik az axonokat. Míg a neuronokról ismert, hogy uralják a neuronális aktivitások szabályozását, keveset tudunk a glia szerepéről a neuronális ingerlékenység modulálásában, a szinaptikus transzmissziókban, a szinaptikus plaszticitásban és a hálózati koordinációban, valamint arról, hogy a kóros glia aktiválódások miként vezethetnek neuronális hipo- vagy túlingerlékenységhez. és patofiziológiai állapotokat idéz elő az agyban.

Ennek a kutatási témának az a célja, hogy fejlessze az idegsejtek ingerlékenységének szabályozását, és foglalkozzon a nem neuronális sejtek szerepével az idegsejtek ingerlékenységének modulálásában az agyban. Ezért örömmel fogadjuk az eredeti kutatási cikkek, vélemények és kommentárok beküldését, amelyek a következőkre összpontosítanak, de nem kizárólagosan:

- Molekuláris és sejtbiológiai módszerekkel, képalkotó módszerekkel, elektrofiziológiával és számítástechnikai eszközökkel annak vizsgálata, hogy a glia és a neuronok közötti szerkezeti és funkcionális kölcsönhatások hogyan befolyásolják az idegsejtek ingerlékenységét fiziológiás és patofiziológiai körülmények között, in vitro és in vivo.
- Az ideghálózatok glia általi ingerlékenységének szabályozására szolgáló biofizikai feltételek és korlátok feltárása
- A glia lehetséges farmakológiai célpontjainak vagy diagnosztikai biomarkereinek vizsgálata, amelyek szabályozzák az idegsejtek ingerlékenységét, és neurológiai és pszichiátriai állapotok kialakulásához vezetnek.

Kulcsszavak: Neuron, asztrocita, mikroglia, glia, ingerlékenység, szinaptikus átvitel, szinaptikus plaszticitás, epilepszia, neurológiai és pszichiátriai rendellenességek

Fontos jegyzet: Az ehhez a kutatási témához adott összes hozzájárulásnak azon részleg és folyóirat hatókörén belül kell lennie, amelyhez benyújtották, a küldetésnyilatkozatokban meghatározottak szerint. A Frontiers fenntartja a jogot, hogy a hatókörön kívül eső kéziratot egy megfelelőbb részhez vagy folyóirathoz irányítsa a szakértői értékelés bármely szakaszában.

Az idegsejtek ingerlékenységének homeosztatikus szabályozása stabilitást biztosít az ideghálózatnak, ami elengedhetetlen a normális agyműködés fenntartásához. Egyetlen neuronban az idegsejtek ingerlékenységét belső membrántulajdonságokkal és ionos vezetőképességgel lehet modulálni, amely meghatározza az akciós potenciál kialakulásának valószínűségét. Míg szinaptikus és áramköri szinten a neuronális ingerlékenységet serkentő vagy gátló szinaptikus átvitelek, hálózati oszcillációk modulálják. Az idegsejtek ingerlékenységének szabályozása neuropszichiátriai rendellenességekhez vezethet, mint például epilepszia, depresszió, autizmus, skizofrénia.

Az agy neuronjait gliasejtek veszik körül, beleértve az asztrocitákat, a mikrogliákat, az oligodendrocitákat stb. Például az asztrociták aktív szerepet játszanak a neuronok metabolitokkal való támogatásában, az agyi véráramlás szabályozásában, a háromoldalú szinapszis kialakításában, valamint az extracelluláris transzmitterek és ionok homeosztatikus koncentrációjának fenntartásában. A Microglia a parenchyma és a vér-agy gát mikrokörnyezetét vizsgálja. Mind az asztrociták, mind a mikroglia reagál a különféle helyi környezeti és patofiziológiai sértésekre, például az idegsejtek aktivitására, az idegsejtek károsodására és a gyulladásos citokinekre. Képesek befogadni a szinaptikus elemeket és szabályozni az idegrendszer kialakulását mind az éretlen, mind a felnőtt központi idegrendszerben. Az oligodendrociták mielinhüvelyt termelnek, és támogatják és szigetelik az axonokat. Míg a neuronokról ismert, hogy uralják a neuronális aktivitások szabályozását, keveset tudunk a glia szerepéről a neuronális ingerlékenység modulálásában, a szinaptikus transzmissziókban, a szinaptikus plaszticitásban és a hálózati koordinációban, valamint arról, hogy a kóros glia aktiválódások miként vezethetnek neuronális hipo- vagy túlingerlékenységhez. és patofiziológiai állapotokat idéz elő az agyban.

Ennek a kutatási témának az a célja, hogy fejlessze az idegsejtek ingerlékenységének szabályozását, és foglalkozzon a nem neuronális sejtek szerepével az idegsejtek ingerlékenységének modulálásában az agyban. Ezért üdvözöljük olyan eredeti kutatási cikkek, áttekintések és kommentárok benyújtását, amelyek a következő területekre összpontosítanak, de nem kizárólagosan:

- Molekuláris és sejtbiológiai módszerekkel, képalkotó módszerekkel, elektrofiziológiával és számítástechnikai eszközökkel annak vizsgálata, hogy a glia és a neuronok közötti szerkezeti és funkcionális kölcsönhatások hogyan befolyásolják az idegsejtek ingerlékenységét fiziológiás és patofiziológiai körülmények között, in vitro és in vivo.
- Az ideghálózatok glia általi ingerlékenységének szabályozására szolgáló biofizikai feltételek és korlátok feltárása
- A glia lehetséges farmakológiai célpontjainak vagy diagnosztikai biomarkereinek vizsgálata, amelyek szabályozzák az idegsejtek ingerlékenységét, és neurológiai és pszichiátriai állapotok kialakulásához vezetnek.

Kulcsszavak: Neuron, asztrocita, mikroglia, glia, ingerlékenység, szinaptikus átvitel, szinaptikus plaszticitás, epilepszia, neurológiai és pszichiátriai rendellenességek

Fontos jegyzet: Az ehhez a kutatási témához adott összes hozzájárulásnak azon részleg és folyóirat hatókörén belül kell lennie, amelyhez benyújtották, a küldetésnyilatkozatokban meghatározottak szerint. A Frontiers fenntartja a jogot, hogy a hatókörön kívül eső kéziratot egy megfelelőbb részhez vagy folyóirathoz irányítsa a szakértői értékelés bármely szakaszában.


ION CSATORNÁK | Ioncsatorna mutációk a családi epilepsziában

Az ioncsatorna funkcióját élesen megváltoztató mutációk

A neuronális ingerlékenység kritikusan függ az elektrokémiai gradiensektől, amelyek az ionok membránon való áthaladását irányítják. Ezért nagyon kielégítőnek és logikusnak tűnik azt feltételezni, hogy az epilepszia egy mutált ioncsatorna hibás működéséből ered, ami fokozott gerjesztő vagy csökkent gátló áramhoz vezet.

Rendkívül nehéz azonban a hálózat túlzott ingerlékenységére következtetni pusztán a mutált receptorok jelenlétéből. Például az autoszomális domináns éjszakai frontális lebeny epilepszia (ADNFLE) a neuronális nikotinos acetilkolin receptorok (nAChR) mutációival jár. A nAChR-ok pentamer ligand-kapuzott ioncsatornák, amelyek α és β alegységek különböző kombinációiból állnak. Összesen hat mutációt azonosítottak a legelterjedtebb altípusban, az α4β2-ben. Érdekes módon a mutációk befolyásolják a receptorok farmakológiai és biofizikai tulajdonságait, az ACh érzékenység, az ACh kinetika és a Ca 2+ -függőség változása minden ADNFLE mutációra jellemző volt, míg a használattól függő potencírozás, csúcs ACh áram válasz vagy Ca 2 + permeabilitás megváltozott néhány, de nem minden mutációban. A legtöbb kutató úgy véli, hogy ezek a változások a mutáns receptorok működésének növekedését jelentik, de a rohamokhoz vezető patofiziológiai folyamat nem tisztázott.


Ren [email protected]

A Ren labor (PI: Dejian Ren, biológiaprofesszor, kapcsolattartó: dren AT upenn.edu) a Pennsylvaniai Egyetem Biológiai Tanszékével áll kapcsolatban, és a Carolyn Lynch Research Building épületében található. A laboratóriumnak jelenleg két kutatási területe van: 1) az idegsejtek ingerlékenysége és hatása az értelmi fogyatékosságra, valamint 2) a lizoszomális biológia és szerepe a neurodegeneratív betegségekben.

Az agy izgatottsága

Tanulmányozzuk, hogyan szabályozzák az emlős neuronok belső ingerlékenységét. Jelenleg a NALCN -UNC80 -UNC79 fehérjekomplexum áll a középpontban, amelyet felfedeztünk, hogy az emlősök agyában a fő Na + -szivárgási csatornát képezi. A NALCN szabályozza a neuronok nyugalmi membránpotenciálját, és heterogenitást generál az idegsejtek ingerlékenységében. Az extracelluláris Na +, Ca 2+ és a kisméretű neuropeptid, mint például a P anyag is izgatja a neuronokat a NALCN -en keresztül. A komplexum több mint egymilliárd évvel ezelőtt, a gombák és állatok közötti eltérés, valamint az eukarióta feszültségfüggő nátriumcsatornák megjelenése előtt alakult ki. Klinikusokkal és genetikusokkal együttműködve mi és mások megállapítottuk, hogy a NALCN és UNC80 gének olyan tüneteket okoznak, mint a hipotónia, a beszédfejlődés hiánya, alvászavar és súlyos értelmi fogyatékosság ( Olvass tovább ).

Az endoszómák és lizoszómák biofizikája és élettana

Jelen kutatásunk másik területe az intracelluláris organellákra összpontosít. Az intracelluláris membránok az eukarióta sejtek teljes sejtmembránjának több mint 90% -át teszik ki, de tulajdonságaik általában kevésbé jól meghatározottak a plazmamembránhoz képest. Az elmúlt néhány évben biofizikai, biokémiai, genetikai és szerkezeti megközelítéseket alkalmaztunk az endoszomális és lizoszómális membránok biofizikai és fiziológiai tulajdonságainak meghatározására. A lizoszómák számos fiziológiai és kóros funkcióban vesznek részt, mint például az emésztés, az újrahasznosítás, az autofágia, a tápanyag -érzékelés, az exocitózis, a sebgyógyulás, a kalcium -jelzés, az idegsejtek degenerációja és a génexpresszió. Meglepő módon azt találtuk, hogy egyes lizoszómák saját feszültségfüggő nátriumcsatornával (TPC1) rendelkeznek, elektromosan gerjeszthetők, és stimuláció esetén akciós potenciálhoz hasonló tüskéket generálnak. Felfedeztük a lizoszomális ioncsatornákat, amelyek érzékenyek a luminális pH -ra, az organelle membránon lévő feszültségre, a membrán lipidjeire, a citoszolos ATP -szintre és az extracelluláris tápanyag -hozzáférésre. Szabályozzák a sejtfolyamatokat, például az autofagoszóma-lizoszóma fúziót és a szervezeti funkciókat, például a fizikai állóképességet.Olvass tovább).

A legújabb genetikai vizsgálatok a lizoszomális funkciót érintik a neurodegeneratív betegségekben. Például az általunk azonosított TMEM175 K + csatorna variációi összefüggésben állnak a Parkinson -kór érzékenységével és megjelenésével.

Ioncsatorna gének

Nátrium/kalcium csatornák: Emlősök agyában feszültségfüggő Na + csatornák (NaVs) és Ca 2+ csatornák (CaVs) alapvető fontosságúak az akciós potenciál generálásában, a szinaptikus transzmisszióban, a génexpresszióban és az idegsejtek számításában. A Ca pórusképző alegységei (α)Vs és NaVs négy homológ ismétlésből áll, mindegyik hat transzmembrán doménnel (6TM, S1-S6). Úgy gondolják, hogy ez a 4x6TM szerkezet egyetlen 6TM fehérjéből fejlődött ki a gén duplikáció két fordulója során. A múltban 6TM, 2x6TM és 4x6TM ioncsatornákat fedeztünk fel ezen az evolúciós pályán.

Kálium csatornák: A káliumcsatornák számos alapvető szerepet játszanak, beleértve a sejtek nyugalmi membránpotenciáljának beállítását, valamint az idegsejtek és a szívizmok akciós potenciáljainak időtartamának meghatározását. Az emberi genomok & gt80 génekkel rendelkeznek, amelyek a “ canonical ” K + csatornák pórusképző alegységeit kódolják. Közös jellemzőjük a GYG/GFG K + csatornát tartalmazó membrán visszatérő „P-hurkok” által alkotott szelektivitásszűrő. Nemrég felfedeztünk egy új K + -szelektív csatornát, a TMEM175-öt (lásd Cang et al. Sejt, 2015). A TMEM175-nek nincs P-hurok vagy GYG motívuma. Ehelyett a csatornaszűrőt az első transzmembrán domének (TM1) alkotják. A homológok baktériumokban, archaeákban és eukariótákban találhatók. A TMEM175-k jelenléte mindhárom élettartományban arra utal, hogy két teljesen eltérő szerkezetű K + csatorna korai fejlődése következik: az egyik (amint a & gt80 kanonikus K + csatornákban megtalálható) GYG/GFG motívumot tartalmazó P-hurokkal képezze a csatorna pórusát a K + ion kiválasztásához, a másik (TMEM175) P-hurokfüggetlen mechanizmussal a K + szelektivitáshoz.

A laboratóriumban végzett korábbi kutatások Ca 2+ jelző mechanizmusokat is felfedeztek az emlősök megtermékenyítése során (link), a spermában lévő CatSper ioncsatorna komplexre összpontosítva.

Vélemények az általunk felfedezett és/vagy tanulmányozott ioncsatornákról: CatSper (CatSperβ, CatSperγ) ( felülvizsgálat ), NALCN (UNC79, UNC80) ( felülvizsgálat ), TPC -k (TPC1, TPC2, TPC3) és KEL/TMEM175 ( felülvizsgálat ).


Neuron: Leírás és szerkezete

A neuron vagy idegsejt egy sejt ingerlékenysége, amely az idegrendszer alapvető funkcionális egységét alkotja. A „neuron” kifejezést 1881 -ben Heinrich Wilhelm Waldeyer német anatómus vezette be az orvosi szókincsbe. A neuronok az idegimpulzusoknak nevezett bioelektromos jelek továbbítását biztosítják. 10-50 -szer kisebb a valószínűsége, mint a gliasejteknek, a második idegszövet összetevőinek számos funkciója van, beleértve a neuronok támogatását és táplálását.

A teljes agyi idegsejtek számát körülbelül 100 milliárdra becsülik (10^11)

Szerkezet

A szkennelés során észlelt neuron elektron mikroszkóp.

Egy neuron diagramja

    • A neuron egy testből, amelyet szómának vagy sejttestnek vagy szómának neveznek, és kétféle kiterjesztést tartalmaz: az axont, amely centrifugális módon hajtja meg az akciós potenciált, és a dendritekből, amelyek neurononként átlagosan 7000. Ezeknek a kiterjesztéseknek a morfológiája, elhelyezkedése és száma, valamint a szóma alakja változó, és hozzájárul a morfológiai neuronok különböző családjainak meghatározásához. Például vannak unipoláris vagy multipoláris neuronok.
    • A neuronok testátmérője típusonként változik, 5 és 120 mikron között. Tartalmazza a sejtmagot, amely interfázisban blokkolva van, és így nem tud osztódni, valamint a citoplazmát. A citoplazmában megtalálható a durva endoplazmatikus retikulum (Nissl -testek szövettani képzője), a Golgi -készülék, a mitokondriumok és a neurofilamentumok, amelyek neurofibrillárisak.
    • A kiterjesztések két típusból állnak: az axonból, az egyetlenből és a dendritből.
    • Az axon (vagy idegrost) átmérője 1 és 15 um között van, a hossza egy millimétertől egy méterig terjed. A mikrotubulusokban rendkívül gazdag kelési kúp régióból származik az axon. Trigger pontnak is nevezik, mert részt vesz az akciós potenciál keletkezésében. Leír egy utat vagy ennél hosszabbat, mielőtt elágazással végződik (vagyis a terminál arborizációjával). Ugyanakkor ugyanazon a szegmensen a szinaptikus duzzadások "enfiládái" is megfigyelhetők, amelyek axoxális szinapszisokat képeznek en passant. Mindegyik ág egy dudorban, a gombvégben vagy a szinaptikus gombban végződik. Az axon vagy az axolemme plazmamembránja tartalmazza az axoplazmás folyamatosságot a perikarya citoplazmájával. Neurofilamentumokból, mikrotubulusokból és mikrovezikulákból áll (ezeket a durva endoplazmatikus retikulum és a Golgi készülék állítja elő). Néhány axont mielinhüvely borít, amelyet a gliasejtek, a perifériás idegrendszer Schwann -sejtjei és a központi idegrendszer oligodendrocitái alkotnak. Becslések szerint körülbelül minden harmadik axont myelin borít (a helyreállítás valójában nem folyamatos, a Ranvier csomópontjai választják el egymástól), amelyeket asztrociták izolálnak. Az axon mielinnel történő helyreállítása lehetővé teszi az ideges információ gyorsabb mozgását.
    • A dendritek sokfélék, eredetükben rövidek és erősen elágazóak. Néha dendrittüskék borítják őket. Az axonnal ellentétben nem tartalmaznak mikrovezikulákat, amelyek lehetővé teszik az információnak a neuronon kívüli továbbítását. A dendrit idegimpulzusokat vezet, amelyek a végéhez vezetnek, egészen a perikaryáig: ez egy meghosszabbítása.


    Az axonok kötegekbe gyűlnek össze, amelyeket kötőszövet (endoneurium és perineurium) köt össze, és így a traktust és az idegeket alkotják.

    A biológiában specifikus markereket használnak a neuronok kimutatására, és megfestik a készítményekben. Például a neurofilamentumok elleni antitesteket és a tau fehérje hátrányait használják, amelyek csak az idegsejtekben találhatók.


    A neuronok versenyeznek az emlékek kialakításáért

    Tanya Lewis
    2016. július 21

    WIKIMEDIA, RAMA

    A tudósok jelentős előrelépést értek el az egyes emlékek kialakulásának megértésében, de kevesebbet tudunk arról, hogy a több emlék hogyan hat egymásra. A Torontói Beteg Gyermekek Kórházának kutatói és munkatársai azt tanulmányozták, hogyan kódolódnak az emlékek az egerek amygdalájában. Az egymáshoz képest hat órán belül kialakuló emlékek ugyanazt a neuronpopulációt aktiválják, míg az agysejtek különálló csoportjai az egymástól távolabb kialakult emlékeket kódolják, és a neuronok versenyeznek szomszédaikkal – derül ki a team&rsquos ma (július 21-én) közzétett tanulmányából. Tudomány.

    & ldquo Néhány emlék természetesen együtt jár - mondta Sheena Josselyn, a Beteg Gyermekek Kórházának munkatársa, a tanulmány társszerzője A tudós. Például emlékezhet arra, hogy az esküvői szertartáson sétált a folyosón, és később a barátja egy kicsit túl sokat ivott a recepción. Mi kíváncsiak vagyunk arra, hogyan kapcsolódnak össze ezek az emlékek az elmédben - mondta Josselyn.

    Josselyn és kollégái azon tűnődtek, vajon az időben közel egymáshoz képződő két emlék aktiválja -e ugyanazokat vagy elkülönült feliratokat. Egereket képeztek ki arra, hogy egy bizonyos hangot társítsanak a láb sokkjához, később pedig egy másik hangot a láb sokkjához. Ha csak a hangokkal mutatják be, az állatok megdermednek, ami annak a jele, hogy félelmi emlékeket alakítottak ki. Az egereket ezután feláldoztuk, és agyukat eltávolítottuk további vizsgálat céljából. A kutatók két gén expresszióját mérték, ív és homer1a (h1a), fluoreszkáló in situ hibridizáció alkalmazásával. Ezek a gének megjelölik azokat a neuronokat, amelyek az előző öt percben, illetve 30-40 percben voltak aktívak.

    Josselyn és munkatársai azt találták, hogy az idegsejtek azonos populációja aktív volt, ha a két emlék egymástól 1,5-6 órán belül alakult ki, de nem, ha 18-24 órán belül alakultak ki.

    Amikor a kutatók „eloltották” egy állat második emlékét azzal, hogy lábsokk nélkül mutatták be a hangot, az egér már nem fagyott meg, amikor meghallotta ezt a hangot. De az is kevésbé fagyott le az első hang hallatán, ha az emlékek hat órán belül alakultak ki egymástól, ami arra utal, hogy a két emlék összekapcsolódott.

    Ezt követően Josselyn csapata optogenetika segítségével manipulálta az állatok amygdalájában lévő neuronok ingerlékenységét. A kutatók az állatok laterális amygdalájában lévő neuronokat herpeszvírussal fertőzték meg, amely hatására a sejtek a rodopszin csatornáját expresszálták. Ha kék vagy piros fényt világít ezekre az idegsejtekre, a csapat gerjesztheti vagy gátolhatja őket. A kutatók megkísérelték mesterségesen összekapcsolni két 24 órás különbséggel létrejött emléket, növelve az idegsejtek azonos populációjának ingerlékenységét, mielőtt mindkét emlék létrejött. Amikor azután gátolták ezeket a sejteket, mindkét memória károsodott, ami sikeres kapcsolódást jelez.

    Ezután a kutatók megpróbáltak elválasztani két emléket, amelyek izgalmas idegsejtek által, egymáshoz közel, az első memória kialakulása előtt, és a második kialakulása előtt gátolják az ingerlékenységet. De azt találták, hogy az első memóriában részt vevő idegsejtek elnyomása a második memóriát is megzavarta. A kutatók hasonló eredményeket találtak a CREB expressziójának növelésével vagy csökkentésével.

    "Két emlék összekapcsolása nagyon egyszerű volt, de a rendesen összekapcsolt emlékek elválasztása nagyon nehéz lett" - mondta Josselyn.

    Végül a kutatók manipulálták az interneuronok ingerlékenységét az oldalsó amygdalában, megmutatva, hogy azok a neuronok, amelyek sikeresen bekerülnek az engramba, ezt úgy teszik, hogy kiszorítják szomszédaikat. Ezek az idegsejtek ideiglenesen elnyomják a többi sejtet, hogy más memóriába kerüljenek, a győztes mindent elviselő versenyben.

    "Ez egy lenyűgöző tanulmány, amely meggyőző bizonyítékokat mutat az oldalsó amygdalában kódolt emlékek közötti összefüggésről az időben közel eső hasonló fenyegető eseményekről" - írta Joseph LeDoux, a New York -i Egyetem idegtudósa, aki nem vett részt a tanulmányban. nak nek A tudós.

    Májusban a Los Angeles -i Kaliforniai Egyetem (UCLA) kutatói hasonló eredményekről számoltak be az egerek hippokampuszában. Ezen a területen nagyobb volt az átfedés ezen a területen, amely ugyanazon a napon belül kialakult emlékeket kódolt, összehasonlítva azokkal, amelyek egy hét különbséggel alakultak ki.

    „Két tanulmányunk két különböző agyi régióban [hippocampus és amygdala] végzett vizsgálatokat, és nagyon különböző eszközökkel, de nagyon hasonló eredményeket találtunk arra vonatkozóan, hogy az emlékek hogyan kapcsolódnak az időkhöz” - mondta az UCLA Alcino Silva, a májusi tanulmány társszerzője. aki korábban együttműködött Josselynnel, azt írta egy e-mailben A tudós. "Az a tény, hogy két nagyon különböző agyi régió ugyanazon a mechanizmuson osztozik, e mechanizmusok egyetemességére utal" - tette hozzá Silva.

    Ésszerű, hogy az agy összekapcsolja az egymáshoz közel kialakuló emlékeket, jegyezte meg Josselyn. A folyamat megmagyarázhatja azt is, hogy mi romlik el olyan körülmények között, mint a skizofrénia, amelyben az agy rendellenesen összekapcsolja gondolatait és emlékeit.

    "De mielőtt a memóriazavarok kezelésével foglalkoznánk, valóban meg kell értenünk az alapokat" - mondta.


    Az állatkísérletet az Instituto Nacional de Perinatolog໚ Isidro Espinosa de los Reyes kutatási és állatgondozási (CICUAL), biológiai biztonsági és etikai bizottsága (3230-21202-01-2015 protokollszám) felülvizsgálta és jóváhagyta.

    Minden szerző részt vett az eredmények elemzésében, a kézirat megvitatásában és elkészítésében. Az RV-B elvégezte és elemezte a legtöbb kísérletet. A BM-V végezte és elemezte az E14 kísérleteket. Az AF-C P21 immunfluoreszcenciát végzett és adatokat dolgozott fel. A GG-L befejezte a képgyűjtést és -feldolgozást. A GH-L, EG és EJG elektrofiziológiai kísérleteket és elemzéseket végzett. Az ND, J-AA-M és AM-H a tanulmány minden lépésében részt vett, beleértve a koncepciót, a kézirat kritikus felülvizsgálatát, a kísérleti elemzést és a felügyeletet. AM-H jóváhagyta a végleges kéziratot.


    Hivatkozások

    Repa, J.C. és mtsai. Két különböző oldalsó amygdala sejtpopuláció járul hozzá a memória elindításához és tárolásához. Nat. Neurosci. 4, 724–731 (2001).

    Rumpel, S., LeDoux, J., Zador, A. & amp; Malinow, R. A posztszinaptikus receptorok kereskedelme az asszociatív tanulás egyik formája. Tudomány 308, 83–88 (2005).

    Reijmers, L. G., Perkins, B. L., Matsuo, N. & amp; Mayford, M. Az asszociatív memória stabil neurális korrelátumának lokalizációja. Tudomány 317, 1230–1233 (2007).

    Schafe, G. E., Doyere, V. & amp; LeDoux, J. E. A félelem engramjának követése: az oldalsó amygdala a félelemmemória tárolásának alapvető helye. J. Neurosci. 25, 10010–10014 (2005).

    Han, J.H. et al. Neuronális verseny és kiválasztás az emlékezet kialakulása során. Tudomány 316, 457–460 (2007).

    Han, J.H. et al. A félelem emlékének szelektív törlése. Tudomány 323, 1492–1496 (2009).

    Clark, M.S. et al. Az 5-HT1B receptor túlzott expressziója a dorsalis raphe magban a herpes simplex vírus géntranszfer segítségével növeli a szorongásos viselkedést az elkerülhetetlen stressz után. J. Neurosci. 22, 4550–4562 (2002).

    Birgül, N., Weise, C., Kreienkamp, ​​H. J. és Richter, D. Reverse physiology in Drosophila: egy új allatosztatin-szerű neuropeptid és rokon receptorának azonosítása, amely szerkezetileg az emlős szomatosztatin/galanin/opioid receptor családjához kapcsolódik. EMBO J. 18, 5892–5900 (1999).

    Karschin, C., Dissmann, E., Stuhmer, W. & amp; Karschin, A. IRK (1–3) és GIRK (1–4) befelé korrigáló K + csatorna mRNS -eket differenciáltan fejeznek ki a felnőtt patkány agyában. J. Neurosci. 16, 3559–3570 (1996).

    Tan, E. M. és mtsai. Az emlős neuronok szelektív és gyorsan visszafordítható inaktiválása in vivo használni a Drosophila allatosztatin receptor. Idegsejt 51, 157–170 (2006).

    Tan, W. et al. A preBotzinger komplex szomatosztatint expresszáló neuronok elnémítása tartós apnoét indukál éber patkányban. Nat. Neurosci. 11, 538–540 (2008).

    Lechner, H. A., Lein, E. S. & Callaway, E.M. Genetikai módszer emlős neuronok szelektív és gyorsan reverzibilis elnémítására. J. Neurosci. 22, 5287–5290 (2002).

    Kida, S. et al. CREB szükséges az új és újraaktivált félelmi emlékek stabilitásához. Nat. Neurosci. 5, 348–355 (2002).

    Bourtchuladze, R. et al.Hiányos hosszú távú memória egerekben, a cAMP-érzékeny elemkötő fehérje célzott mutációjával. Sejt 79, 59–68 (1994).

    Yamamoto, T., Shimura, T., Sako, N., Yasoshima, Y. & amp Sakai, N. Neural substrates for dependent taste aversion in the rat. Behav. Brain Res. 65, 123–137 (1994).

    Lamprecht, R., Hazvi, S. & amp; Dudai, Y. cAMP válaszelem kötő fehérje az amygdalában szükséges a hosszú távú, de nem rövid távú kondicionált ízérző memória számára. J. Neurosci. 17, 8443–8450 (1997).

    Josselyn, S.A., Kida, S. & Silva, A.J. A CREB funkció indukálhatatlan elnyomása megzavarja az amygdala-függő memóriát. Neurobiol. Tanul. Mem. 82, 159–163 (2004).

    McKernan, M.G. & Shinnick-Gallagher, P. A félelem kondicionálása a szinaptikus áramlatok tartós potencírozását idézi elő in vitro. Természet 390, 607–611 (1997).

    Huang, Y.Y. & amp; Kandel, E. R. posztszinaptikus indukció és az LTP PKA-függő expressziója az oldalsó amygdala-ban. Idegsejt 21, 169–178 (1998).

    Han, M.H. et al. A cAMP válasz elemet megkötő fehérje szerepe a patkány locus ceruleus-ban: az idegsejtek aktivitásának szabályozása és az opiát elvonási magatartás. J. Neurosci. 26, 4624–4629 (2006).

    Dong, Y. et al. A CREB modulálja a nucleus accumbens neuronok ingerlékenységét. Nat. Neurosci. 9, 475–477 (2006).

    Viosca, J., Lopez de Armentia, M., Jancic, D. & amp; Barco, A. A fokozott CREB-függő génexpresszió növeli az idegsejtek ingerlékenységét a bazális amygdalában, és elősegíti a kontextuális és cued félelemmemória megszilárdulását. Tanul. Mem. 16, 193–197 (2009).

    Murphy, G.G. et al. Fokozott idegsejtek ingerlékenysége, szinaptikus plaszticitás és tanulás idős Kvbeta 1.1 kiütéses egerekben. Curr. Biol. 14, 1907–1915 (2004).

    Faber, E.S., Callister, R.J. & amp; Sah, P. A fő idegsejtek morfológiai és elektrofiziológiai tulajdonságai patkány oldalsó amygdalában in vitro. J. Neurophysiol. 85, 714–723 (2001).

    Storm, J. F. Káliumáramok a hippocampalis piramissejtekben. Prog. Brain Res. 83, 161–187 (1990).

    Oh, M. M., McKay, B. M., Power, J. M. és Disterhoft, J. F. A CA1 piramis neuronokban a tanulással összefüggő posztburst afterhyperpolarization csökkenést a protein kináz A közvetíti. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 1620–1625 (2009).

    Santini, E., Quirk, G.J. & amp; Porter, J.T. A félelem kondicionálása és a kihalás eltérően módosítja az infralimbikus neuronok belső ingerlékenységét. J. Neurosci. 28, 4028–4036 (2008).

    Személyzet, N.P. & amp; Spruston, N. CA1 piramis idegsejtekben az EPSP-tüske potenciálás intracelluláris korrelációját a GABAerg moduláció szabályozza. Hippocampus 13, 801–805 (2003).

    Carvalho, T.P. & Buonomano, D.V. Az izgató és gátló plaszticitás differenciális hatásai a szinaptikusan vezérelt neuronális input-output funkciókra. Idegsejt 61, 774–785 (2009).

    Losonczy, A., Makara, J.K. & amp; Magee, J. C. Elosztott dendritikus plaszticitás és bemeneti funkciók tárolása az idegsejtekben. Természet 452, 436–441 (2008).

    Silva, A.J., Kogan, J.H., Frankland, P.W. & amp; Kida, S. CREB és memória. Annu. Rev. Neurosci. 21, 127–148 (1998).

    Shaywitz, A.J. & Greenberg, M.E. CREB: inger által kiváltott transzkripciós faktor, amelyet az extracelluláris jelek sokfélesége aktivál. Annu. Rev. Biochem. 68, 821–861 (1999).

    Mayr, B. és Montminy, M. Transzkripciós szabályozás a CREB foszforiláció-függő faktorral. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2, 599–609 (2001).

    Lonze, B.E. & Ginty, D.D. A CREB család transzkripciós tényezőinek működése és szabályozása az idegrendszerben. Idegsejt 35, 605–623 (2002).

    Carlezon, W.A. Jr., Duman, R.S. & amp; Nestler, E.J. CREB sok arca. Trends Neurosci. 28, 436–445 (2005).

    Jancic, D., Lopez de Armentia, M., Valor, L. M., Olivares, R. & amp; Barco, A. A cAMP válaszelem kötő fehérje gátlása csökkenti az idegsejtek ingerlékenységét és plaszticitását, és neurodegenerációt vált ki. Cereb. Cortex online közzétéve, doi: 10.1093/cercor/bhp004 (2009. február 12.).

    Won, J. & amp; Silva, A. J. A memóriaallokáció molekuláris és sejtes mechanizmusai az ideghálózatokban. Neurobiol. Tanul. Mem. 89, 285–292 (2008).

    Sassone-Corsi, P. A cAMP-re reagáló transzkripciós faktorok. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 11, 355–377 (1995).

    Lim, F. és Neve, R.L. Aktuális protokollok az idegtudományban (Greene Publishing Assoc. és Wiley-Interscience, New York, 1999).

    Paxinos, G. & amp; Franklin, K.B.J. Az egéragy sztereotaxikus koordinátákban (Academic Press, San Diego, 2003).

    Barrot, M. és mtsai. A CREB aktivitás a nucleus accumbens héjában szabályozza az érzelmi ingerekre adott viselkedési válaszok átjárását. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 11435–11440 (2002).

    Faber, E.S. & Sah, P. Az opioidok gátolják az oldalsó amygdala piramis neuronokat a dendrites káliumáram fokozásával. J. Neurosci. 24, 3031–3039 (2004).

    Liebmann, L. et al. A kortikoszteron differenciált hatása a lassú utóhiperpolarizációra a bazolaterális amygdala és a CA1 régióban: a kalciumcsatorna-alegységek lehetséges szerepe. J. Neurophysiol. 99, 958–968 (2008).

    Humeau, Y. et al. Útvonal-specifikus funkció a különböző AMPA receptor alegységek számára az amygdala hosszú távú erősítésében és a félelem kondicionálásában. J. Neurosci. 27, 10947–10956 (2007).


    Tartalom

    A sejt membránpotenciálja végül két tényezőből fakad: az elektromos erőből és a diffúzióból. Az elektromos erő az ellentétes (pozitív és negatív) elektromos töltésű részecskék közötti kölcsönös vonzásból és az azonos típusú töltésű (mindkét pozitív vagy mindkettő) részecskék közötti kölcsönös taszításból ered. A diffúzió abból adódik, hogy a részecskék statisztikailag hajlamosak újraeloszlani azokról a régiókról, ahol erősen koncentráltak, és olyan területekre, ahol a koncentráció alacsony.

    Feszültség szerkesztése

    Feszültség, amely szinonimája az elektromos potenciál különbsége, az a képesség, hogy egy elektromos áramot egy ellenálláson keresztül vezessenek. Valójában a feszültség legegyszerűbb definícióját Ohm törvénye adja: V=IR, ahol V a feszültség, I az áramerősség és R az ellenállás. Ha egy feszültségforrást, például akkumulátort helyeznek egy elektromos áramkörbe, minél nagyobb a forrás feszültsége, annál nagyobb az áram, amelyet a rendelkezésre álló ellenálláson keresztül vezet. A feszültség funkcionális jelentősége csak a potenciálban rejlik különbségek egy áramkör két pontja között. Az egyetlen pont feszültségének gondolata értelmetlen. Az elektronikában bevett szokás, hogy az áramkör valamely tetszőlegesen kiválasztott eleméhez nulla feszültséget rendelnek, majd a többi elemhez ehhez a nullaponthoz viszonyítva feszültséget rendelnek. Nincs jelentősége annak, hogy melyik elemet választják nulla pontnak - az áramkör funkciója csak a különbségektől függ, nem a feszültségektől önmagában. Azonban a legtöbb esetben és megegyezés szerint a nulla szintet leggyakrabban az áramkörnek a földdel érintkező részéhez rendelik.

    Ugyanez az elv érvényes a sejtbiológiában a feszültségre is. Elektromosan aktív szövetben bármely két pont közötti potenciálkülönbség megmérhető úgy, hogy mindegyik pontba behelyezünk egy elektródát, például egyet a cellán belül és egyet azon kívül, és mindkét elektródát összekötjük egy lényegében egy speciális voltmérő vezetékeivel. Megállapodás szerint a nulla potenciálértéket a cella külsejéhez rendeljük, és a külső és a belső közötti potenciálkülönbség előjelét a belső potenciál a külső nullához viszonyítva határozza meg.

    Matematikai értelemben a feszültség meghatározása az elektromos mező fogalmával kezdődik E , egy vektormező, amely nagyságot és irányt rendel a tér minden pontjához. Sok helyzetben az elektromos mező konzervatív mező, ami azt jelenti, hogy egy V skaláris függvény gradienseként fejezhető ki, azaz E = –∇ V. Ezt a V skaláris mezőt feszültségeloszlásnak nevezzük. Ne feledje, hogy a definíció megengedi az integráció tetszőleges állandóját – ez az oka annak, hogy a feszültség abszolút értékei nem értelmesek. Általánosságban elmondható, hogy az elektromos mezők csak akkor kezelhetők konzervatívnak, ha a mágneses mezők nem befolyásolják őket jelentősen, de ez a feltétel általában jól érvényes a biológiai szövetekre.

    Mivel az elektromos mező a feszültségeloszlás gradiense, a kis feszültségekben bekövetkező gyors feszültségváltozások erős elektromos mezőt vonnak maga után, ha a feszültség nagyjából ugyanazon a területen marad, akkor az adott területen az elektromos mezőknek gyengének kell lenniük. . Az erős elektromos mező, amely egyenlő az erős feszültséggradienssel, azt jelenti, hogy erős erő hat a régióban található töltött részecskékre.

    Ionok és a mozgásukra ható erők Szerk

    A biológiai élőlényeken belüli elektromos jeleket általában ionok vezérlik. [4] Az akciós potenciál szempontjából legfontosabb kationok a nátrium (Na + ) és kálium (K + ). [5] Mindkettő az egyértékű kationok, amelyek egyetlen pozitív töltést hordoznak. A cselekvési potenciál magában foglalhat kalciumot (Ca 2+) is, [6] ami a két vegyértékű kation, amely kettős pozitív töltést hordoz. A kloridanion (Cl -) fontos szerepet játszik egyes algák akciós potenciáljában, [7] de elhanyagolható szerepet játszik a legtöbb állat akciós potenciáljában. [8]

    Az ionok két hatásra hatnak át a sejtmembránon: diffúzió és elektromos mezők. Egy egyszerű példa, amelyben két oldat – A és B – porózus gáttal van elválasztva, szemlélteti, hogy a diffúzió biztosítja, hogy végül egyenlő oldatokká keveredjenek. Ez a keverés a koncentrációjuk különbsége miatt következik be. A nagy koncentrációjú régió az alacsony koncentrációjú régió felé diffundál. A példa kiterjesztése érdekében hagyjuk, hogy az A oldat 30 nátrium- és 30 kloridionot tartalmazzon. Ezenkívül hagyja, hogy a B oldat csak 20 nátrium- és 20 kloridionot tartalmazzon. Ha feltételezzük, hogy a gát mindkét iontípust átjárja, akkor egyensúlyi állapot jön létre, amelyben mindkét oldat 25 nátrium- és 25 kloridionot tartalmaz. Ha azonban a porózus gát szelektív, amelyen keresztül ionokat engednek át, akkor a diffúzió önmagában nem határozza meg a kapott oldatot. Visszatérve az előző példához, most készítsünk egy gátat, amely csak a nátriumionok számára áteresztő. Most már csak a nátrium diffundálhat a gáton az A oldatban lévő magasabb koncentrációjától a B oldat alacsonyabb koncentrációjáig. Ez nagyobb nátriumion -felhalmozódást eredményez, mint a B oldat kloridionja, és kevesebb nátriumionot, mint kloridionok az A oldatban.

    Ez azt jelenti, hogy a B oldatban nettó pozitív töltés van a pozitív töltésű nátriumionok nagyobb koncentrációjából, mint a negatív töltésű kloridionok. Hasonlóképpen, az A oldatban nettó negatív töltés keletkezik a negatív kloridionok nagyobb koncentrációjából, mint a pozitív nátriumionok. Mivel az ellentétes töltések vonzzák, és a hasonló töltések taszítják, az ionokat most elektromos mezők és diffúziós erők is befolyásolják. Ezért a pozitív nátriumionok kisebb valószínűséggel jutnak el a most pozitívabb B-oldatba, és maradnak a most negatívabb A-oldatban. Azt a pontot, ahol az elektromos mezők erői teljesen ellensúlyozzák a diffúzióból eredő erőt, egyensúlyi potenciálnak nevezzük. Ezen a ponton az adott ion (jelen esetben nátrium) nettó áramlása nulla.

    Plazmamembránok Szerkesztés

    Minden sejt egy plazmamembránba van zárva, amely lipid kettősrétegű, sokféle nagy molekulával. Mivel lipidmolekulákból áll, a plazmamembrán természeténél fogva nagy elektromos ellenállással rendelkezik, más szóval alacsony belső permeabilitással rendelkezik. A membránba ágyazott molekulák egy része azonban képes vagy aktívan szállítani az ionokat a membrán egyik oldaláról a másikra, vagy csatornákat biztosítani, amelyeken keresztül mozoghatnak. [9]

    Az elektromos terminológiában a plazmamembrán kombinált ellenállásként és kondenzátorként működik. Az ellenállás abból fakad, hogy a membrán akadályozza a töltések mozgását rajta. A kapacitás abból fakad, hogy a lipid kettősréteg olyan vékony, hogy a töltött részecskék felhalmozódása az egyik oldalon elektromos erőt eredményez, amely ellentétesen töltött részecskéket húz a másik oldal felé. A membrán kapacitását viszonylag nem befolyásolják a beleágyazott molekulák, így nagyjából 2 μF/cm 2 -re becsülhető többé-kevésbé invariáns érték (egy membrán teljes kapacitása arányos a területével). A tiszta lipid kettősréteg vezetőképessége viszont olyan alacsony, hogy biológiai helyzetekben mindig a beágyazott molekulák által biztosított alternatív utak vezetőképessége dominál. Így a membrán kapacitása többé -kevésbé rögzített, de az ellenállás erősen változó.

    A plazmamembrán vastagsága a becslések szerint körülbelül 7-8 nanométer. Mivel a membrán nagyon vékony, nem kell túl nagy transzmembrán feszültség ahhoz, hogy erős elektromos mezőt hozzon létre benne. Az állati sejtekben a tipikus membránpotenciálok 100 millivolt (azaz egy tized volt) nagyságrendűek, de a számítások azt mutatják, hogy ez a membrán által fenntartott maximumhoz közeli elektromos mezőt generál – a számítások szerint egy feszültség a 200 millivoltnál sokkal nagyobb különbség dielektromos lebomlást okozhat, azaz ív a membránon.

    Könnyített diffúzió és szállítás Szerk

    A tiszta lipid kettősréteg ellenállása az ionok áthaladásával szemben nagyon magas, de a membránba ágyazott struktúrák nagymértékben fokozhatják az ionok mozgását akár aktívan, akár passzívan, az úgynevezett megkönnyített transzport és diffúzió révén. A két legnagyobb szerkezetű típusú szerkezet az ioncsatornák és az ionszivattyúk, amelyek általában fehérjemolekulákból állnak. Az ioncsatornák átjárókat biztosítanak, amelyeken keresztül az ionok mozoghatnak. A legtöbb esetben az ioncsatorna csak bizonyos típusú ionok számára (például nátrium és kálium, de nem klorid vagy kalcium) áteresztő, és néha az áteresztőképesség az ion mozgásának irányától függően változik. Az ionszivattyúk, más néven ionszállító vagy hordozófehérjék, aktívan szállítanak bizonyos típusú ionokat a membrán egyik oldaláról a másikra, néha anyagcsere -folyamatokból származó energiát használva fel.

    Ionszivattyúk Szerkesztés

    Az ionpumpák integrált membránfehérjék, amelyek aktív transzportot hajtanak végre, azaz celluláris energiát (ATP) használnak az ionok koncentrációgradiensük ellenében történő "pumpálására". [10] Az ilyen ionszivattyúk a membrán egyik oldaláról vesznek be ionokat (ott csökkentik a koncentrációját), és a másik oldalon engedik ki (ott növelik a koncentrációját).

    Az akciós potenciál szempontjából legrelevánsabb ionpumpa a nátrium-kálium pumpa, amely három nátriumiont szállít ki a sejtből és két káliumiont be. [11] Ennek következtében a káliumionok K + koncentrációja a neuronon belül nagyjából 20-szor nagyobb, mint a külső koncentráció, míg a kinti nátriumkoncentráció nagyjából kilencszer nagyobb, mint a belső. [12] [13] Hasonló módon más ionok koncentrációja is eltérő a neuronon belül és kívül, például kalcium, klorid és magnézium. [13]

    Ha az egyes iontípusok száma egyenlő lenne, a nátrium-kálium pumpa elektromosan semleges lenne, de a három a kettőhöz csere miatt minden ciklusban egy pozitív töltést ad az intracellulárisból az extracellulárisba. ezzel hozzájárulva a pozitív feszültségkülönbséghez. A szivattyúnak három hatása van: (1) magas a nátriumkoncentráció az extracelluláris térben és alacsony az intracelluláris térben (2) magas káliumkoncentrációt tesz az intracelluláris térben és alacsony az extracelluláris térben (3) az intracelluláris tér negatív feszültség az extracelluláris térhez képest.

    A nátrium-kálium szivattyú viszonylag lassan működik. Ha egy sejtet mindenhol azonos koncentrációjú nátriummal és káliummal inicializálnának, órákba telne, amíg a szivattyú megteremti az egyensúlyt. A szivattyú folyamatosan működik, de fokozatosan kevésbé hatékony, mivel csökken a szivattyúzáshoz rendelkezésre álló nátrium- és káliumkoncentráció.

    Az ionszivattyúk csak akkor befolyásolják az akciós potenciált, ha megállapítják az intracelluláris és extracelluláris ionkoncentrációk relatív arányát. Az akciós potenciál főként ioncsatornák nyitását és zárását jelenti, nem pedig ionszivattyúkat. Ha az ionszivattyúkat energiaforrásuk eltávolításával vagy egy inhibitor, például ouabain hozzáadásával kapcsolják ki, az axon még mindig több százezer akciós potenciált képes kiváltani, mielőtt amplitúdójuk jelentősen csökkenni kezd. [10] Különösen az ionpumpák nem játszanak jelentős szerepet a membrán akciós potenciál utáni repolarizációjában. [5]

    Egy másik funkcionálisan fontos ionpumpa a nátrium-kalcium-cserélő. Ez a szivattyú fogalmilag hasonlóan működik, mint a nátrium-kálium szivattyú, azzal a különbséggel, hogy minden ciklusban három Na + -t cserél az extracelluláris térből egy Ca ++ -ra az intracelluláris térből. Mivel a nettó töltésáramlás befelé irányul, ez a szivattyú gyakorlatilag "lefelé" fut, és ezért a membránfeszültségen kívül nem igényel semmilyen energiaforrást. Legfontosabb hatása a kalcium kifelé történő szivattyúzása-lehetővé teszi a nátrium beáramlását is, ezáltal ellensúlyozva a nátrium-kálium szivattyút, de mivel az általános nátrium- és káliumkoncentráció sokkal magasabb, mint a kalciumkoncentráció, ez a hatás viszonylag jelentéktelen. A nátrium-kalcium-cserélő nettó eredménye az, hogy nyugalmi állapotban az intracelluláris kalciumkoncentráció nagyon alacsony lesz.

    Ioncsatornák Szerk

    Az ioncsatornák integrált membránfehérjék, pórusukon keresztül, amelyeken keresztül az ionok eljuthatnak az extracelluláris tér és a sejt belseje között. A legtöbb csatorna például egy ionra specifikus (szelektív), a legtöbb káliumcsatornát a kálium 1000: 1 szelektivitási aránya jellemzi a nátriummal szemben, bár a kálium- és nátriumionok töltése azonos, és csak kis mértékben különböznek sugarukban. A csatorna pórusa jellemzően olyan kicsi, hogy az ionoknak egyfájlos sorrendben kell áthaladniuk rajta. [15] A csatorna pórusai nyitottak vagy zártak lehetnek az ionáthaladás érdekében, bár számos csatorna különböző alvezetőképességi szinteket mutat. Amikor egy csatorna nyitva van, az ionok áthatolnak a csatornán keresztül a pórusokon keresztül az adott ion transzmembrán koncentrációgradiensében. A csatornán áthaladó ionáramlási sebességet, azaz az egycsatornás áram amplitúdót az adott csatorna maximális vezetőképessége és elektrokémiai hajtóereje határozza meg, ami a membránpotenciál pillanatnyi értéke és a megfordítási potenciál értéke közötti különbség. [16]

    Egy csatornának több különböző állapota lehet (ami a fehérje különböző konformációinak felel meg), de mindegyik ilyen állapot vagy nyitott vagy zárt. Általánosságban elmondható, hogy a zárt állapotok vagy a pórusok összehúzódásának felelnek meg - ez az ion számára áthatolhatatlanná válik -, vagy a fehérje egy külön részének, amely leállítja a pórusokat. Például a feszültségfüggő nátriumcsatorna megy keresztül inaktiválás, amelyben a fehérje egy része a pórusba lendül, lezárja azt. [17] Ez az inaktiválás leállítja a nátriumáramot, és kritikus szerepet játszik az akciós potenciálban.

    Az ioncsatornákat a környezetükre adott válaszok alapján lehet osztályozni. [18] Például az akciós potenciálban részt vevő ioncsatornák az feszültségérzékeny csatornák a membránon áthaladó feszültség hatására kinyílnak és záródnak. Ligandus kapuk Ezek az ioncsatornák egy másik fontos osztályt alkotnak, amikor egy ligandum-molekula, például egy neurotranszmitter kötődésére reagálnak. Más ioncsatornák mechanikus erővel nyitnak és zárnak. Mégis más ioncsatornák - például az érzékszervi neuronok - nyitnak és zárnak válaszul más ingerekre, például fényre, hőmérsékletre vagy nyomásra.

    Szivárgási csatornák Szerkesztés

    A szivárgó csatornák az ioncsatornák legegyszerűbb típusai, mivel áteresztőképességük többé-kevésbé állandó. Az idegsejtekben a legnagyobb jelentőségű szivárgási csatornák a kálium- és kloridcsatornák. Még ezek sem teljesen állandóak a tulajdonságaikban: Először is, többségük feszültségfüggő abban az értelemben, hogy egyik irányban jobban vezet, mint a másikban (más szóval egyenirányítók), másodszor, néhányuk képes kémiai ligandumok zárják le, még akkor is, ha működésükhöz nincs szükség ligandumokra.

    Ligandusos csatornák Szerkesztés

    A ligandum-kapu ioncsatornák olyan csatornák, amelyek áteresztőképessége jelentősen megnő, ha valamilyen típusú kémiai ligandum kötődik a fehérje szerkezetéhez. Az állati sejtek ezekből több száz, ha nem több ezer fajtát tartalmaznak. Egy nagy részhalmaz neurotranszmitter-receptorként funkcionál – posztszinaptikus helyeken fordulnak elő, és az őket bezáró kémiai ligandum a preszinaptikus axonterminálison szabadul fel. Ennek a típusnak az egyik példája az AMPA receptor, a neurotranszmitter glutamát receptora, amely aktiválva lehetővé teszi a nátrium- és káliumionok áthaladását. Egy másik példa a GABAA receptor, a GABA neurotranszmitter receptora, amely aktiválva lehetővé teszi a kloridionok áthaladását.

    A neurotranszmitter receptorokat az extracelluláris területen megjelenő ligandumok aktiválják, de vannak más típusú ligandum-kapucsatornák is, amelyeket az intracelluláris oldalon folytatott kölcsönhatások szabályoznak.

    Feszültségfüggő csatornák Szerkesztés

    Feszültségfüggő ioncsatornák, más néven feszültségfüggő ioncsatornák, olyan csatornák, amelyek permeabilitását a membránpotenciál befolyásolja. Egy másik nagyon nagy csoportot alkotnak, ahol mindegyik tag sajátos ionszelektivitással és feszültségfüggéssel rendelkezik. Sokan időfüggők is-más szóval, nem azonnal reagálnak a feszültségváltozásra, hanem csak késleltetés után.

    Ennek a csoportnak az egyik legfontosabb tagja az akciós potenciálok hátterében álló feszültségfüggő nátriumcsatorna – ezeket néha ún. Hodgkin-Huxley nátriumcsatornák mert kezdetben Alan Lloyd Hodgkin és Andrew Huxley jellemezte őket az akciós potenciál fiziológiájával foglalkozó Nobel-díjas tanulmányaikban. A csatorna a nyugalmi feszültség szintjén zárva van, de hirtelen kinyílik, amikor a feszültség meghalad egy bizonyos küszöböt, ami nagy nátrium -beáramlást tesz lehetővé, ami nagyon gyors változást eredményez a membránpotenciálban. Az akciós potenciálból való kilábalás részben függ a feszültségfüggő káliumcsatorna típusától, amely nyugalmi feszültségszinten le van zárva, de az akciós potenciál során fellépő nagy feszültségváltozás következtében megnyílik.

    Fordítási potenciál Szerkesztés

    A megfordulási potenciál (ill egyensúlyi potenciál) Az ion a transzmembrán feszültség értéke, amelynél a diffúziós és elektromos erők ellensúlyozzák, így nincs nettó ionáramlás a membránon. Ez azt jelenti, hogy a transzmembrán feszültség pontosan ellenáll az ion diffúziós erejének, így az ion nettó árama a membránon nulla és változatlan. A megfordítási potenciál azért fontos, mert megadja az adott ionra áteresztő csatornákra ható feszültséget - más szóval azt a feszültséget, amelyet az ionkoncentráció gradiens generál, amikor akkumulátorként működik.

    Egy adott ion egyensúlyi potenciálját általában a jelöléssel jelöljük Eion.Bármely ion egyensúlyi potenciálja kiszámítható a Nernst -egyenlet segítségével. [19] Például a káliumionok megfordítási potenciálja a következő lesz:

    • Eeq, K + a kálium egyensúlyi potenciálja, voltban mérve
    • R az univerzális gázállandó, egyenlő 8,314 joule·K −1 ·mol −1
    • T az abszolút hőmérséklet, kelvinben mérve (= K = Celsius fok + 273,15)
    • z a kérdéses ionnak a reakcióban részt vevő elemi töltéseinek száma
    • F a Faraday -állandó, egyenlő 96 485 coulombdal · mol −1 vagy J · V −1 · mol −1
    • [K + ]o a kálium extracelluláris koncentrációja, mol·m −3-ban vagy mmol·l −1-ben mérve
    • [K +]én a kálium intracelluláris koncentrációja

    Még akkor is, ha két különböző ion töltése azonos (azaz K + és Na +), akkor is nagyon eltérő egyensúlyi potenciáljuk lehet, feltéve, hogy külső és/vagy belső koncentrációjuk eltér. Vegyük például a kálium és a nátrium egyensúlyi potenciálját az idegsejtekben. A kálium egyensúlyi potenciálja EK −84 mV, 5 mM kálium kívül és 140 mM belül. Másrészt a nátrium -egyensúlyi potenciál, ENa, körülbelül +66 mV, körülbelül 12 mM nátriummal belül és 140 mM kívül. [1. megjegyzés]

    A membránpotenciál változásai a fejlesztés során Szerkesztés

    Egy neuron nyugalmi membránpotenciálja valójában megváltozik a szervezet fejlődése során. Ahhoz, hogy egy idegsejt végül teljes mértékben átvehesse felnőttkori funkcióját, potenciálját szigorúan szabályozni kell a fejlődés során. Ahogy egy szervezet fejlődik, a nyugalmi membránpotenciál negatívabbá válik. [20] A gliasejtek is differenciálódnak és szaporodnak a fejlődés előrehaladtával az agyban. [21] Ezeknek a gliasejteknek a hozzáadása növeli a szervezet azon képességét, hogy szabályozza az extracelluláris kálium mennyiségét. Az extracelluláris kálium csökkenése a membránpotenciál 35 mV -os csökkenéséhez vezethet. [22]

    Sejt ingerlékenység Szerkesztés

    A sejtek ingerlékenysége a membránpotenciál változása, amely szükséges a különböző szövetek sejtválaszaihoz. A sejtek ingerlékenysége egy olyan tulajdonság, amely a korai embriogenezis során indukálódik. [23] A cella ingerlékenységét úgy is definiálták, mint a válasz kiváltásának egyszerűségét. [24] A nyugalmi és küszöbpotenciálok képezik a sejt ingerlékenységének alapját, és ezek a folyamatok alapvetőek a fokozatos és akciós potenciálok létrehozásához.

    A sejtek ingerlékenységének legfontosabb szabályozói az extracelluláris elektrolitkoncentrációk (azaz Na +, K +, Ca 2+, Cl -, Mg 2+) és a hozzájuk tartozó fehérjék. A sejtek ingerlékenységét szabályozó fontos fehérjék a feszültségfüggő ioncsatornák, az iontranszporterek (pl. Na+/K+-ATPáz, magnézium-transzporterek, sav-bázis transzporterek), a membránreceptorok és a hiperpolarizációval aktivált ciklikus nukleotid-csatornák. [25] Például a káliumcsatornák és a kalciumérzékelő receptorok fontos szabályozói az ingerlékenységnek az idegsejtekben, a szívizomsejtekben és sok más ingerlékeny sejtben, például az asztrocitákban. [26] A kalcium -ion a legfontosabb második hírvivő is az izgatott sejtjelzésben. A szinaptikus receptorok aktiválása hosszan tartó változásokat idéz elő az idegsejtek ingerlékenységében. [27] A pajzsmirigy, a mellékvese és más hormonok szintén szabályozzák a sejtek ingerlékenységét, például a progeszteron és az ösztrogén modulálják a myometrium simaizomsejtjeinek ingerlékenységét.

    Sok sejtfajtát gerjeszthető membránnak tekintünk. Izgalmas sejtek a neuronok, myocyták (szív-, csont-, sima), vaszkuláris endothelsejtek, juxtaglomeruláris sejtek, Cajal intersticiális sejtjei, sokféle hámsejt (pl. Béta-, alfa-, delta-, enteroendokrin sejtek), gliasejtek (pl. asztrociták), mechanoreceptor sejtek (pl. szőrsejtek és Merkel sejtek), kemoreceptor sejtek (pl. glomus sejtek, íz receptorok), egyes növényi sejtek és esetleg immunsejtek. [28] Az asztrociták egyfajta nem elektromos ingerlékenységet mutatnak az intracelluláris kalcium-variációk alapján, amelyek számos receptor expressziójához kapcsolódnak, amelyeken keresztül képesek érzékelni a szinaptikus jelet. Az idegsejtekben a sejt bizonyos részeiben eltérő membrántulajdonságok vannak, például a dendrites ingerlékenység felruházza a neuronokat a térben elkülönült bemenetek egybeeső detektálására. [29]

    Ekvivalens áramkör Szerkesztés

    Az elektrofiziológusok az ionkoncentráció-különbségek, az ioncsatornák és a membránkapacitás hatásait egy ekvivalens áramkörben modellezik, amely egy kis membránfolt elektromos tulajdonságait hivatott reprezentálni. Az ekvivalens áramkör egy kondenzátorból áll párhuzamosan, négy útvonallal, amelyek mindegyike változó vezetőképességű, sorba kapcsolt akkumulátorból áll. A kapacitást a lipid kettősréteg tulajdonságai határozzák meg, és rögzítettnek tekintik. A négy párhuzamos út mindegyike az egyik fő ionból, nátriumból, káliumból, kloridból és kalciumból származik. Az egyes ionpályák feszültségét a membrán mindkét oldalán található ionkoncentrációk határozzák meg, lásd a fenti Reverziós potenciál részt. Az egyes ionpályák vezetőképességét az adott időpontban az összes ioncsatorna állapota határozza meg, amelyek potenciálisan permeábilisak az adott ion számára, beleértve a szivárgási csatornákat, a ligandum-függő csatornákat és a feszültségfüggő ioncsatornákat.

    Rögzített ionkoncentrációk és rögzített ioncsatorna -vezetőképességi értékek esetén az egyenértékű áramkör tovább redukálható az alább ismertetett Goldman -egyenlet használatával, olyan áramkörre, amely kapacitást és akkumulátorral párhuzamosan tartalmaz. Elektromos szempontból ez egyfajta RC áramkör (ellenállás-kapacitás áramkör), és elektromos tulajdonságai nagyon egyszerűek. Bármely kezdeti állapotból kiindulva, a vezetőképességen vagy a kapacitáson átáramló áram exponenciális időtartam alatt csökken, τ = RC időállandó mellett, ahol C a membránfolt kapacitása, és R = 1/gháló a nettó ellenállás. Reális helyzetekben az időállandó általában 1-100 milliszekundum tartományban van. A legtöbb esetben az ioncsatornák vezetőképességének változása gyorsabb időskálán következik be, ezért az RC áramkör nem jó közelítés, azonban a membránfolt modellezéséhez használt differenciálegyenlet általában az RC áramkör egyenletének módosított változata.

    Ha egy sejt membránpotenciálja hosszú ideig anélkül megy el, hogy jelentősen megváltozna, akkor nyugalmi potenciálnak vagy nyugalmi feszültségnek nevezik. Ezt a kifejezést a nem gerjeszthető sejtek membránpotenciáljára, de gerjeszthető sejtek membránpotenciáljára is használják. Az ingerelhető sejtekben a többi lehetséges állapot a fokozatos membránpotenciálok (változó amplitúdójú) és az akciós potenciálok, amelyek nagyok, a mindent vagy semmit sem növekszik a membránpotenciál, ami általában meghatározott időbeli lefutást követ. Az ingerelhető sejtek közé tartoznak a neuronok, az izomsejtek és a mirigyekben lévő egyes szekréciós sejtek. A membránfeszültség azonban még más típusú sejtekben is megváltozhat a környezeti vagy intracelluláris ingerekre adott válaszként. Például a plazmamembrán depolarizációja fontos lépésnek tűnik a programozott sejthalálban. [30]

    A nyugalmi potenciált generáló kölcsönhatásokat a Goldman-egyenlet modellezi. [31] Ez formailag hasonlít a fent bemutatott Nernst -egyenlethez, mivel a szóban forgó ionok töltésein, valamint azok belső és külső koncentrációjának különbségén alapul. Figyelembe veszi azonban a plazmamembrán relatív permeabilitását is az egyes szóban forgó ionokhoz.

    Az egyenletben szereplő három ion a kálium (K + ), a nátrium (Na + ) és a klorid (Cl - ). A kalcium kihagyásra kerül, de hozzáadható a helyzetek kezeléséhez, amelyekben jelentős szerepet játszik. [32] Anionról lévén szó, a klorid kifejezéseket a kationtagoktól eltérően kezelik, a számlálóban az intracelluláris koncentráció, a nevezőben pedig az extracelluláris koncentráció szerepel, ami megfordul a kationtagoktól. Pén az i típusú ion relatív permeabilitását jelenti.

    Lényegében a Goldman -formula a membránpotenciált az egyes iontípusok reverzációs potenciáljainak súlyozott átlagaként fejezi ki, permeabilitással súlyozva. (Bár a membránpotenciál körülbelül 100 mV-ot változik egy akciós potenciál alatt, a sejten belüli és azon kívüli ionok koncentrációja nem változik jelentősen. A membrán nyugalmi potenciáljában a megfelelő koncentráció közelében marad.) A legtöbb állati sejtben a nyugalmi állapotban a kálium permeabilitása sokkal magasabb, mint a nátriumé. Ennek következtében a nyugalmi potenciál általában közel van a kálium megfordítási potenciáljához. [33] [34] A klorid permeabilitása elég magas lehet ahhoz, hogy jelentős legyen, de a többi iontól eltérően a klorid nem szivattyúzódik aktívan, ezért a többi ion által meghatározott nyugalmi potenciálhoz nagyon közel álló reverziós potenciálon kiegyensúlyozódik.

    A nyugalmi membránpotenciál értékei a legtöbb állati sejtben általában a kálium megfordítási potenciálja (általában -80 mV körül) és -40 mV között változnak. Az ingerelhető sejtekben (amelyek akciós potenciálokat képesek létrehozni) a nyugalmi potenciál általában -60 mV közelében van – a depolarizáltabb feszültségek spontán akciós potenciálok kialakulásához vezetnek. Az éretlen vagy differenciálatlan sejtek nyugalmi feszültsége igen változó értéket mutat, általában szignifikánsan pozitívabb, mint a differenciált sejtekben. [35] Az ilyen cellákban a nyugalmi potenciál érték korrelál a differenciálódás mértékével: a differenciálatlan sejtek bizonyos esetekben egyáltalán nem mutatnak transzmembrán feszültségkülönbséget.

    A nyugalmi potenciál fenntartása metabolikusan költséges lehet egy sejt számára, mivel aktív ionok pumpálására van szükség a szivárgási csatornák miatti veszteségek ellensúlyozására. A költségek akkor a legmagasabbak, ha a cellafunkció különösen depolarizált membránfeszültséget igényel. Például a nyugalmi potenciál a nappali fényhez alkalmazkodó legyezőben (Calliphora vicina) fotoreceptorok akár -30 mV-osak is lehetnek. [36] Ez a megnövekedett membránpotenciál lehetővé teszi a sejtek számára, hogy nagyon gyorsan reagáljanak a vizuális bemenetekre, ennek ára az, hogy a nyugalmi potenciál fenntartása a teljes sejt ATP-jének több mint 20%-át felemészti. [37]

    Másrészt a differenciálatlan sejtekben lévő nagy nyugalmi potenciál metabolikus előny lehet. Ezt a látszólagos paradoxont ​​a nyugalmi potenciál eredetének vizsgálata oldja fel. A kevéssé differenciált cellákat rendkívül magas bemeneti ellenállás jellemzi [35], ami azt jelenti, hogy kevés szivárgási csatorna van jelen a sejtek életének ezen szakaszában. Látható eredményként a kálium-permeabilitás hasonlóvá válik a nátriumionokéhoz, ami a nyugalmi potenciált a nátrium és kálium megfordítási potenciálja közé helyezi, amint azt fentebb tárgyaltuk. A csökkentett szivárgási áramok azt is jelentik, hogy nincs szükség aktív szivattyúzásra a kompenzáció érdekében, ezért alacsony az anyagcsere költsége.

    Amint azt a fentiekben kifejtettük, a sejtmembrán bármely pontján lévő potenciált az intracelluláris és az extracelluláris területek közötti ionkoncentráció -különbségek, valamint a membrán permeabilitása határozza meg az egyes iontípusokhoz. Az ionkoncentrációk általában nem változnak nagyon gyorsan (kivéve a Ca 2+ -t, ahol a kiindulási intracelluláris koncentráció olyan alacsony, hogy még egy kis beáramlás is nagyságrendekkel növelheti), de az ionok permeabilitása egy ezredmásodperc töredéke, a ligandum-kapu ioncsatornák aktiválása következtében. A membránpotenciál változása lehet nagy vagy kicsi, attól függően, hogy hány ioncsatorna aktiválódik és milyen típusú, és lehet hosszú vagy rövid, attól függően, hogy mennyi ideig maradnak nyitva a csatornák. Az ilyen típusú változtatásokat nevezzük osztályozott potenciálok, ellentétben az akciós potenciálokkal, amelyeknek fix amplitúdója és időbeli lefutása van.

    Amint a fent bemutatott Goldman-egyenletből levezethető, a membrán egy bizonyos típusú ion permeabilitását növelő hatása a membránpotenciált az adott ion megfordítási potenciálja felé tolja el. Így a Na + csatornák megnyitása a membránpotenciált a Na + reverzációs potenciál felé tolja el, ami általában +100 mV körül van. Hasonlóképpen, a K + csatornák megnyitása a membránpotenciált körülbelül -90 mV felé tolja el, a Cl - csatornák nyitása pedig körülbelül -70 mV (a legtöbb membrán nyugalmi potenciálja) felé. Így a Na + csatornák pozitív irányba tolják el a membránpotenciált, a K + csatornák negatív irányba tolják el (kivéve, ha a membrán hiperpolarizált a K + reverziós potenciálnál negatívabb értékre), és a Cl - csatornák hajlamosak eltolódni a nyugalmi potenciál felé.

    Az osztályozott membránpotenciálok különösen fontosak az idegsejtekben, ahol szinapszisok termelik őket - a membránpotenciál ideiglenes változását, amelyet a szinapszis egyetlen osztályozott vagy akciós potenciállal történő aktiválása okoz, posztszinaptikus potenciálnak nevezzük. Azok a neurotranszmitterek, amelyek Na + csatornákat nyitnak, jellemzően a membránpotenciál pozitívabbá válását okozzák, míg a K + csatornákat aktiváló neurotranszmitterek általában negatívabbá teszik azokat, amelyek gátolják ezeket a csatornákat.

    Az, hogy a posztszinaptikus potenciált gerjesztőnek vagy gátlónak tekintik -e, az adott áram ionjainak reverzibilitási potenciáljától és a sejt akciópotenciáljának küszöbétől függ (körülbelül –50 mV). A posztszinaptikus áram küszöbérték feletti megfordulási potenciállal, például tipikus Na + -árammal, gerjesztőnek tekinthető. A küszöb alatti megfordítási potenciállal rendelkező áram, például egy tipikus K + áram, gátlónak tekinthető. A nyugalmi potenciál feletti, de a küszöbérték alatti reverzációs potenciálú áram önmagában nem vált ki akciós potenciált, hanem küszöb alatti membránpotenciál-oszcillációt okoz. Így a Na + csatornákat megnyitó neurotranszmitterek serkentő posztszinaptikus potenciálokat vagy EPSP-ket, míg a K + vagy Cl - csatornákat nyitó neurotranszmitterek jellemzően gátló posztszinaptikus potenciálokat vagy IPSP-ket termelnek. Ha több típusú csatorna van nyitva ugyanabban az időszakban, posztszinaptikus potenciáljaik összegeződnek (összeadódnak).

    A biofizika szempontjából az pihenő A membránpotenciál csupán az a membránpotenciál, amely a sejt nyugalmi állapotában uralkodó membrán -permeabilitásokból adódik. A súlyozott átlagok fenti egyenlete mindig érvényes, de a következő megközelítés könnyebben megjeleníthető. Egy adott pillanatban egy ionnak két tényezője van, amelyek meghatározzák, hogy az ion mekkora befolyást gyakorol a sejt membránpotenciáljára:

    Ha a hajtóerő nagy, akkor az ion "átnyomódik" a membránon.Ha a permeabilitás magas, akkor az ion könnyebben diffundál a membránon.

    • Hajtóerő az a nettó elektromos erő, amely az ionnak a membránon keresztül történő mozgatásához rendelkezésre áll. Ezt az ion feszültsége (egyensúlyi potenciálja) és a tényleges membránpotenciál közötti különbségként kell kiszámítani.Em). Tehát formális értelemben az ion hajtóereje = Em - Eion
    • Például a korábban kiszámított -73 mV nyugalmi potenciálunknál a kálium hajtóereje 7 mV: (-73 mV) - (-80 mV) = 7 mV. A nátrium hajtóereje (−73 mV) − (60 mV) = −133 mV.
    • Áteresztőképesség Ez annak mértéke, hogy egy ion milyen könnyen képes átjutni a membránon. Általában az (elektromos) vezetőképességet mérik, és az egység, a siemens, 1 C · s –1 · V –1 értéknek felel meg, azaz egy coulomb másodpercenként potenciál voltonként.

    Tehát a nyugalmi membránban, míg a kálium hajtóereje alacsony, a permeabilitása nagyon magas. A nátriumnak hatalmas hajtóereje van, de szinte nincs nyugalmi permeabilitása. Ebben az esetben a kálium körülbelül 20-szor nagyobb áramot hordoz, mint a nátrium, így 20-szor nagyobb befolyása van Em mint a nátrium.

    Tekintsünk azonban egy másik esetet – az akciós potenciál csúcsát. Itt a Na -permeabilitás magas, a K -permeabilitás pedig viszonylag alacsony. Így a membrán közel kerül ENa és messze nem EK.

    Minél több ion átereszt, annál bonyolultabbá válik a membránpotenciál előrejelzése. Ez azonban megtehető a Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet vagy a súlyozott átlag egyenlet használatával. A koncentráció gradiensek és az ionok permeabilitásának bármely időpontban történő összekapcsolásával meghatározható az adott pillanatban membránpotenciál. A GHK egyenletek azt jelentik, hogy a membránpotenciál értéke bármikor az összes permeáns ion egyensúlyi potenciáljának súlyozott átlaga lesz. A "súlyozás" az ionok relatív permeabilitása a membránon keresztül.

    Míg a sejtek energiát fordítanak az ionok szállítására és transzmembrán potenciál létrehozására, ezt a potenciált más ionok és metabolitok, például cukor szállítására használják fel. A mitokondriumok transzmembrán potenciálja hajtja az ATP termelését, amely a biológiai energia közös valutája.

    A sejtek a nyugalmi potenciálban tárolt energiából meríthetnek, hogy akciópotenciálokat vagy más gerjesztési formákat vezessenek be. Ezek a membránpotenciál változásai lehetővé teszik a kommunikációt más sejtekkel (mint az akciós potenciálok esetében), vagy változásokat indítanak el a sejten belül, ami a petesejtben történik, amikor azt egy spermium megtermékenyíti.

    Az idegsejtekben az akciós potenciál azzal kezdődik, hogy a nátrium -ionok a sejtbe rohannak a nátriumcsatornákon keresztül, ami depolarizációt eredményez, míg a helyreállítás a kálium kifelé irányuló rohanását jelenti a káliumcsatornákon keresztül. Mindkét fluxus passzív diffúzióval jön létre.