13 Zklady neurofyziologie KPKFYO Filip Neuls Michal Botek

13. Základy neurofyziologie KPK/FYO Filip Neuls & Michal Botek

„Mozek je orgán, kterým si myslíme, že myslíme. “

Úvod • CNS je hlavním regulačním systémem organismu (vedle endokrinního a imunitního, kterým je ve svém účinku nadřazen) • jeho regulační děje jsou rychlejší než regulace humorální a imunitní • nervovou soustavu tvoří 2 typy buněk ▫ neurony – strukturální a funkční jednotka ▫ neuroglie – podpůrná a metabolická funkce • člověk má 15 -25 mld. neuronů a až 300 mld. synapsí

Neuron • membrána obsahuje četné receptory a iontové kanály, granulární ER – souvisí s tzv. Nisslovou substancí, mitochondrie, neurotubuly a neurofilamenta (souvisejí s axoplazmatickým transportem) • z hlediska struktury ▫ tělo (soma) a výběžky (dendrity, neurity) • z hlediska funkce ▫ receptivní segment (dendrit) – přivádí informace (vzruchy) do těla neuronu ▫ trofický segment – tělo + dendrity ▫ iniciální segment – místo vzniku akčního potenciálu (axonový hrbolek) ▫ vodivý segment – neurit (axon), vede informaci (vzruch) na další neuron ▫ transmisivní segment – synapse, předává informace na další neurony

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, nezbytný předpoklad pro vybavení vzruchu; většinou se nešíří, pokud ano, tak se ztrátou (s dekrementem) účinku • vzruch – speciální forma podráždění šířící se po nervovém vlákně dle zákona „vše nebo nic“, bez dekrementu

Podmínky účinnosti podnětu • na podněty zevního nebo vnitřního prostředí odpovídají (senzorické) receptory; podnět musí mít: ▫ prahovou nebo nadprahovou intenzitu, aby vyvolal odpověď (podprahový podnět odpověď nevyvolá) ▫ minimální trvání (čím slabší podnět, tím delší trvání, aby vyvolal odpověď) ▫ dostatečně rychlý nástup; pomalá změna reakci nevyvolá, nastává tzv. vplížení podnětu – o účinnosti podnětu rozhoduje rychlost změny (Du. Bois-Reymondovo pravidlo) • modalita (specifita) podnětu – závisí na tom, který receptor daný podnět vnímá ▫ exteroreceptory – přijímají podněty z vnějšího prostředí (telereceptory – zrak, sluch, vestibulární aparát; mechanoreceptory – v kůži; chemoreceptory – čich, chuť) ▫ interoreceptory – přijímají podněty z vnitřního prostředí (chemoreceptory, osmoreceptory, baroreceptory, proprioreceptory) • kvalita podnětu – na stejné receptory působí různé kvality podnětu (př. šimrání, lechtání, škrábání. . . ) • kvantita podnětu – určena intenzitou jeho působení (př. intenzita tlakových podnětů)

Projevy vzruchu • elektrické: i v nervové buňce existuje v klidu rozdíl mezi jejím vnitřkem (-) a povrchem (+), potenciálový rozdíl (-60 až -90 m. V) = klidový potenciál • působením podnětu vzniká vzruch, který se projeví změnou polarity = vnitřek (+) a povrch (-), tj. depolarizace až do kladných hodnot (+30 až +40 m. V), vzniká akční potenciál • chemické: klidový potenciál vzniká nerovnoměrným rozložením iontů K+ (uvnitř), Na+ a Cl- (vně) na obou stranách membrány • podnět způsobí vzruch – Na+ vniká do buňky iontovými kanály a obrací polaritu, následně proniká K+ ven a vyrovnává zakolísání membránového potenciálu – repolarizace • při průchodu vzruchu refrakterní fáze (nerv je v ten moment nedráždivý absolutně, pak relativně) • funkce napěťově řízených iontových kanálů a Na-K pumpy

Vedení vzruchu • místem vzniku akčního potenciálu je iniciální segment axonu • dále se vzruch šíří dle zákona „vše, nebo nic“ - místní podráždění dosáhne hodnoty vzruchové aktivity a následná depolarizace se šíří po nervovém vláknu bez dekrementu • u nemyelinizovaných vláken – vzruchová vlna se šíří postupně tím, že depolarizace na jednom úseku vyvolá depolarizaci na úseku sousedním • po myelinizovaných vláknech se vzruch šíří skokem (saltatorně); myelinová pochva působí jako izolátor a výměna iontů nastává pouze v obnažených úsecích na Ranvierových zářezech, vedení vzruchu je tak rychlejší • čím je vlákno silnější, tím vede vzruch rychleji

Synapse • synapse zajišťují kontakt mezi neurony • jeden neuron vytváří presynaptickou a druhý postsynaptickou část synapse, mezi nimi je synaptická štěrbina • v presynaptické části jsou synaptické váčky s neurotransmiterem* (mediátorem), na postsynaptické části jsou receptory, které na mediátor reagují • funkční vlastnosti synapsí: ▫ ▫ ▫ jednosměrnost vedení vzruchu synaptické zdržení sumace a facilitace dějů excitace nebo inhibice únava (daná zejména vyčerpáním transmiteru; nedostatek O 2 a acidóza snižují dráždivost a zvyšují únavu; nervová buňka samotná unavitelná není) *např. acetylcholin, noradrenalin, GABA (kys. gama-aminomáselná), glycin, glutamát, dopamin, serotonin, melatonin, histamin atd.

Neuroglie a extracelulární prostor • extraneuronový objem nervstva cca 50 % (neuroglie, mozkomíšní mok, extracelulární prostor) • neuroglie – zabezpečuje metabolismus neuronu, podíl na homeostáze, bariéra proti vstupu látek do CNS • makroglie: ▫ astroglie – zprostředkovává kontakt mezi neuronem a kapilárami ▫ oligodendroglie – tvoří myelin na axonech v mozku (v periferii mají obdobnou funkci Schwannovy buňky) ▫ ependym – výstelka dutin CNS, s cévami tvoří plexus chorioideus, v němž vzniká mozkomíšní mok • mikroglie – pomáhá odstraňovat K+ z extracelulárního prostoru, podíl na imunitě nervové tkáně (fagocytóza)

Specifika krevního zásobení a metabolismu mozkové tkáně • nervová tkáň má intenzivní metabolický obrat, bohaté cévní řečiště (20 % minutového objemu srdečního proteče mozkem) ▫ kapilárami protéká stálé množství krve (nejsou zde a-v anastomózy) ▫ tlak krve v mozku nezávisí na změnách systémového tlaku • látky z krve nepřestupují do nervové tkáně přímo, ale systémem mozkových bariér (hematoencefalická mezi krví a nervovou tkání, hematolikvorová mezi krví a mozkomíšním mokem) • mozkomíšní mok vzniká z krevní plazmy, cca 150 ml, funkce – ochrana mozkové tkáně, vyrovnávání změn jejího objemu, úloha trofická a distribuční • hlavní energetický substrát pro činnost nervstva je glukóza (97 % energie oxidací, pouze 3 % anaerobní glykolýzou) ▫ nedostatečné zásobení mozku O 2 i glukózou vede ke ztrátě vědomí ▫ déletrvající nedostatečné zásobení krví vede k ireverzibilním změnám na neuronech, kritická je doba 5 minut – smrt neuronu (podchlazení kritickou dobu prodlužuje)

Fyziologie CNS jednotlivé oddíly CNS jsou vzájemně propojeny vzestupnými a sestupnými drahami a tvoří funkční celky (systémy); mezi oddíly CNS patří: • • • páteřní mícha (medulla spinalis) prodloužená mícha (medulla oblongata) most (pons Varoli) střední mozek (mesencephalon) mozeček (cerebellum) mezimozek (diencephalon) – talamus a hypotalamus bazální ganglia limbický systém mozková kůra (neopallium)

Funkce páteřní míchy • páteřní mícha uložena v páteřním kanálu, tvořena šedou (zadní, přední a postranní rohy míšní) a bílou hmotou míšní (vzestupné a sestupné dráhy spojující míchu a vyšší oddíly CNS) • účast na motorice na základě míšních reflexů, zprostředkování vjemů z celého těla vyjma hlavy • reflexní okruh: receptor (ve svalech, šlachách, kůži) – dostředivá vlákna (aferentní, senzitivní) – centrum (v míše, motorická buňka) – odstředivá vlákna (eferentní, motorická) – efektor (nervosvalová ploténka a sval) ▫ proprioreceptivní reflexy – př. napínací reflexy při stimulaci svalového vřeténka a Golgiho tělíska, projevují se jako trhnutí (rychlé, vůlí neovlivnitelné, neunavitelné) ▫ exteroreceptivní reflexy – vyvolány stimulací např. hmatového receptoru; flexorové (obranné, spouštěčem je bolest) a extenzorové reflexy (pomalejší, delší reakční doba, koordinované pohyby, závislé na mozkové kůře, podléhají únavě) • přerušení míchy – míšní šok, zastavení reflexní činnosti (u člověka i týdny), pak poruchy motorických funkcí (možný částečný návrat reflexů), ztráta hluboké i povrchové citlivosti, termického a bolestivého čití aj.

Funkce mozkového kmene • mozkový kmen = prodloužená mícha, Varolův most a střední mozek • prodloužená mícha – obsahuje jádra, která jsou součástí RF a jsou zapojena do řízení autonomních funkcí: ▫ činnost srdce – centrum kardioexcitační a kardioinhibiční; činnost cév – centra vazokonstrikční a vazodilatační; dýchání – vdechové a výdechové neurony, obranné reflexy (kašel, kýchání, apnoe); centrum pro zvracení; motorická centra – kontrolují svalový tonus a posturální reflexy • most – nervová regulace dýchání, reflexy slzení, slinění, navození REM fáze spánku (zdají se sny) • střední mozek (tectum a tegmentum) – obsahuje jádra i dráhy; řídí nepodmíněné zrakové a sluchové reflexy*, pohotovostní reflex**, zornicový reflex, vzpřimovací reflex*** apod. *pohyby očí, hlavy, celého těla na přicházející signály, lokalizace zvuku aj. **vybavuje se náhlými podněty působícími na zrak a sluch; je aktivní ve spánku, při nadprahovém sluchovém podnětu vede k probuzení – „strážní funkce“ ***obnovení vzpřímené polohy těla např. po upadnutí nebo sezení

Funkce retikulární formace • systém jader, ascendentních a descendentních drah, začíná v prodloužené míše a projikuje do celé mozkové kůry • jádra vytvářejí multisenzorický, polysynaptický systém s významným podílem na koordinaci a řízení životně důležitých funkcí (např. činnost srdce, činnost cév, dýchání) • různé části zajišťují bdění, udržení vzpřímeného postoje a polohu těla obecně, útlum úmyslných pohybů aj. • při poraněních (např. zlomenině spodiny lební) člověk upadá do hlubokého kómatu, ze kterého jej nelze probudit, ale některé funkce zůstanou zachovány

Funkce mozečku • mozeček tvořen dvěma hemisférami uprostřed spojenými tzv. červem (vermis); mozečková kůra má 3 vrstvy buněk, uvnitř jsou 4 jádra • podílí se na koordinaci pohybů, udržování svalového tonu a rovnováhy: ▫ paleocerebellum (spinální mozeček) – zpracovává aferentaci z páteřní míchy, proprioreceptorů a exteroreceptorů, integruje činnost alfa- a gama-motoneuronů, účastní se pomalých cílených pohybů ▫ archicerebellum (vestibulární mozeček) - aferentace z vestibulárního aparátu, účastní se na posturálních reakcích orientace v prostoru, udržování svalového tonu a rovnováhy ▫ neocerebellum (korový mozeček) – účastní se rychlých cílených pohybů, uplatňuje se při podmíněném motorickém učení (sport, hra na hudební nástroj aj. )

Talamus • integrační mozkové centrum, podílí se na řízení důležitých funkcí organismu, kontrola i samostatná integrace vzruchů senzorických i motorických; tvořen několika jádry: ▫ specifická senzorická jádra – specifické funkce vázané na smyslové orgány (součást zrakové a sluchové dráhy, příjem somatosenzorických a kožních informací z mechanoreceptorů trupu, končetin a obličeje) ▫ nespecifická, převážně senzorická jádra – různé ne zcela přesně definované funkce, např. příjem informací o (viscerální) bolesti ▫ motorická jádra – přijímají signály z bazálních ganglií a mozečku, významný podíl na regulaci motorických funkcí ▫ asociační jádra – mají integrativní funkce, přijímají aferentaci z více směrů (např. zraková, sluchová a kožní)

Bazální ganglia • tvořena jádry v podkoří obou hemisfér, hlavní mediátor – dopamin • hlavní úkol – převod plánovaných pohybů do pohybových programů, stanovení časoprostorových pohybových parametrů (síla, směr a amplituda pohybu) • při Parkinsonově chorobě chybí dopamin, vzniká tak neurodegenerativní onemocnění typické akinezí (porucha začátku a dokončení pohybu), špatnou artikulací, chybí souhyby paží, chůze – drobné krůčky v předklonu, rigor (svalové ztuhnutí), klidový tremor (třes), který ustává při cílené aktivní motorice, ale pak se navrací • Huntingtonova choroba – genetické onemocnění, typické nekoordinované trhavé pohyby těla („tanec sv. Víta“)

Limbický systém • existence vyšších živočichů je spojena a budována na subjektivních pocitech, které se projevují navenek jako radost, zlost, pláč, strach • mechanismus emočních reakcí není příliš znám, hlavní řídicí oblastí těchto dějů je limbický systém • na emočním chování se podílí též hypotalamus jako vykonavatel funkcí limbického systému • hipokampus – důležitá struktura v tvorbě a fixaci paměťové stopy (engram), při translaci krátkodobé paměti v dlouhodobou • amygdala – hlavní role při vytváření a ukládání vzpomínek spojených s emocionálními událostmi; vzniku reakce strachu (strnutí, tachykardie, zrychlení dechu, sevření žaludku, vylučování stresových hormonů) • limbická kůra – asociační kůra pro řízení chování (po ablaci se zvýší příjem potravy a sexuální aktivita, vzniká nespavost, neschopnost se soustředit, není možný motorický odpočinek, např. klidný sed)

Funkce mozkové kůry • histologicky i funkčně rozdělena do 6 vrstev; v 5. vrstvě se nacházejí velké pyramidové buňky Betzovy (zejm. v motorické kůře), jejichž axony dosahují až do bazálních ganglií, mozkového kmene a páteřní míchy • kůra rozdělena na tzv. Brodmannovy oblasti, např. ▫ primární motorická oblast (gyrus praecentralis), motorický kortex organizován somatotopicky – určité části těla mají projekci rozsáhlejší než by odpovídalo jejich velikosti (jsou lépe inervovány než jiné), tzv. motorický homunkulus* ▫ primární sensitivní oblast (gyrus postcentralis) – somatotopická organizace kůry, tj. sensitivní homunkulus* ▫ Brocova oblast – motoricky kontroluje řeč; Brocova afázie – porozumění je v pořádku, ale řeč je postižena ▫ Wernickeova oblast – kontroluje porozumění řeči; Wernickeova afázie – pacient nerozumí, mluví, ale řeč je beze smyslu ▫ primární zraková kůra, primární sluchová kůra atd.

*motorický a sensitivní homunkulus jsou si velmi podobní (velké tváře, jazyk, ruce; motorický homunkulus nemá genitál)

Mozková kůra z hlediska analyzátorů • tři hlavní systémy analyzátorů • I. a II. primární a sekundární projekční oblasti ▫ somestetický analyzátor (somatomotorický, somatosenzitivní) v g. postcentralis, končí zde dráhy přivádějící vzruchy z receptorů pro dotyk, teplo, chlad a bolest; bilaterální koordinace motorických a senzorických funkcí (př. součinnost obou rukou při hře na piano) ▫ zrakový analyzátor, obsahuje např. specifické neurony pro různé barvy a odstíny i specifické neurony reagující na různé pohyby (vertikální, horizontální, šikmé i rotační) ▫ sluchový analyzátor, např. vnímání výšky a barvy tónu ▫ vestibulární analyzátor, zpracovává informace o změnách pohybu hlavy a o pohybech těla v prostoru ▫ čichový analyzátor, zpracovává čichové informace, patří k nejstarším částem mozku, souvisí s limbickým systémem ▫ chuťový analyzátor

Mozková kůra z hlediska analyzátorů ▫ motorický analyzátor, v g. precentralis, začíná zde pyramidová dráha, první neuron končí na míšních motoneuronech; pyramidová dráha je nejdůležitější dráhou pro řízení motoriky (vedle extrapyramidové a mozečkových), je nenahraditelná, řídí jemnou motoriku; při jejím přerušení člověk ochrne (plegie) - centrální obrna je spastická (hypertonické svalstvo), zatímco periferní je chabá • III. oblasti asociační – přijímají informace mnoha typů z nejrůznějších receptorů ▫ oblast parietotemporookcipitální - přijímá aferentaci akustickou a vizuální, čímž plní vyšší senzorické úlohy, je zde uloženo Wernickeovo centrum řeči ▫ oblast prefrontální – účastní se na vyšších motorických funkcích (př. strategie pohybu, řízení naučené kontroly vrozeného způsobu chování aj. ) ▫ limbická asociační kůra – má vliv na řízení motivace a emocí a na afektivní aspekty chování

Autonomní nervový systém • (též vegetativní nervový systém) řídí činnost hladkého svalstva, srdce a žláz • liší se od somatického nervstva anatomicky i funkčně: ▫ nervová vlákna jsou tenčí, proto vedou vzruch pomaleji ▫ pregangliová vlákna, která mají myelinovou pochvu, vedou vzruch rychleji než postgangliová bez myelinové pochvy ▫ autonomní reflexy mají delší reakční dobu, neboť mají ve svém průběhu více synapsí

Periferní část ANS • podle mediátoru na postgangliových zakončeních: ▫ adrenergní – sympatikus, mediátorem je noradrenalin ▫ cholinergní – parasympatikus; mediátorem je acetylcholin • podle výstupu eferentních neuronů z míchy: ▫ torakolumbální část – sympatikus ▫ kraniosakrální část – parasympatikus • většina vnitřních orgánů (mimo cév), je inervována sympatikem i parasympatikem • o výsledném účinku rozhoduje funkční stav efektoru (výkonného orgánu) • cévy inervovány pouze sympatikem, změny tonu sympatiku zabezpečují výsledný efekt (kontrakci či dilataci)

Centrální část ANS • páteřní mícha – zajišťuje autonomní reflexy • RF mozkového kmene – řídí životně důležité funkce (dýchání, činnost srdce, činnost cév, příjem potravy) • hypotalamus – regulace kardiovaskulární, příjem potravy a tekutin, termoregulace, regulace endokrinního systému • hypotalamus a s ním funkčně spojený limbický systém integrují další somatické a vegetativní funkce (kromě výše uvedeného i sexuální a emoční chování) • mozková kůra – část patřící k limbickému systému, vliv se uskutečňuje vrozenými a získanými asociacemi hlavně oběhového a dýchacího systému

Mediátory ANS • acetylcholin – na pregangliových zakončeních sympatiku i parasympatiku a na postgangliových vláknech parasympatiku, na postgangliových vláknech cév a potních žláz; cholinergní receptory: ▫ nikotinové (mozek, kosterní svalstvo) ▫ muskarinové (mozek, hladké svalstvo, žlázy) • noradrenalin se uvolňuje na postgangliových zakončeních sympatiku vyjma cév kosterních svalů a potních žláz; noradrenergní receptory: ▫ alfa-receptory a beta-receptory (aktivují se různě, jejich účinky jsou většinou antagonistické; dominanci účinku zajišťuje aktuální počet receptorů)

Integrační a asociační činnost nervového systému • integrace – vzájemná spolupráce jednotlivých struktur CNS • princip hierarchie – struktury CNS jsou vzájemně nadřízeny nebo podřízeny • základní význam pro integrační funkce má: mozkový kmen, mezimozek, limbický systém a mozková kůra; ta je v integračních mechanismech nejdůležitější, zejména asociační korové oblasti (důležité pro děje spojené s učením, pamětí a abstraktním myšlením) • plasticita nervového systému – zahrnuje funkční změny kvantity a kvality synaptického přenosu spojené s učením a pamětí (největší na začátku ontogenetického vývoje) • chování – soubor reakcí, jimiž organismus reaguje na podněty zevního a vnitřního prostředí (mimovolní a volní chování) • útlum – důležitý děj provázející podráždění • učení – tvorba podmíněných reflexů, jimiž organismus reaguje na podněty vnějšího a vnitřního prostředí; vytváření dočasného spojení mezi dvěma ohnisky podráždění v mozkové kůře nebo v nižších strukturách CNS; opakováním dočasného spojení se vytvářejí podmíněné reflexy a současně se tvoří paměťová stopa (biologicky významné podněty a události se mohou zapamatovat i po jednom spojení) • paměť – uchovávání a vybavování informace získané učením: 1) tvorba paměťové stopy, 2) fixace (konsolidace) paměťové stopy, 3) vybavení paměťové stopy • řeč a myšlení – abstrakce a zobecnění konkrétních podmíněných podnětů umožňuje člověku vyjádřit slovem jednoduché i složité vztahy k prostředí, podávat zprávy o událostech, a vytvářet tak typické lidské myšlení a jeho projev řeč

“My brain? That's my second favorite organ. ” (Woody Allen)

Shrnutí, klíčová slova • • • neuron vzruch podnět elektrické a chemické projevy vzruchu vedení vzruchu myelin synapse neurotransmitter neuroglie ▫ astroglie, oligodendroglie, ependym, mikroglie • Schwannovy buňky • mozkomíšní mok • metabolismus mozkové tkáně • funkce jednotlivých částí CNS (zejména se vztahem k motorice): ▫ páteřní mícha, prodloužená mícha, most, střední mozek, mezimozek, mozeček, limbický systém, bazální ganglia, mozková kůra • autonomní nervový systém • integrační a asociační činnost CNS

Doporučená literatura • Ganong, W. F. (2005). Přehled lékařské fyziologie. Praha: Galén. • Kittnar, O. et al. (2011). Lékařská fyziologie. Praha: Grada. • Langmeier, M. et al. (2009). Základy lékařské fyziologie. Praha: Grada. • Rokyta, R. et al. (2000). Fyziologie pro bakalářská studia v medicíně, přírodovědných a tělovýchovných oborech. Praha: ISV. • Silbernagl, S. , & Despopoulos, A. (2004). Atlas fyziologie člověka. Praha: Grada. • Trojan, S. et al. (2003). Lékařská fyziologie. Praha: Grada.