Neurobiologie Studuje nervov systm a jeho funkci Tvorba

Neurobiologie • Studuje nervový systém a jeho funkci

Tvorba a koordinace chování

Membrána Neuron Sítě

Nervový systém je zodpovědný za tvorbu a koordinaci chování • smyslový systém – přijímá a interpretuje informace • motorický systém – kontroluje a provádí pohyb • součinnost svalů a endokrinních žláz • integrační systém – – vyhodnocuje smyslové informace integruje smyslové vstupy rozhoduje využívá předcházejících zkušeností a přizpůsobuje je aktuálním podmínkám

– Jak geny regulují tvorbu proteinů nervových membrán – Jak vlastnosti membránových proteinů ovlivňují funkci neuronů – Jak je předávána informace mezi neurony – Jak je přijímána a interpretována smyslová informace – Jak jsou plánovány a koordinovány složité pohyby – Jak se nervový systém vyvíjí během embryogeneze – Co je to to učení a paměť – Jaký je neurofyziologický podklad přemýšlení – Jaká je podstata vědomí

Metody studia NS jsou velmi rozmanité • Srovnávací neurobiologie • i nejjednodušší organismy mají NS, který zajišťuje příjem, zpracování informací, rozhodnutí a provádění motorických reakcí • Studium těchto organismů přináší základní poznatky o fungování NS aplikovatelné i na vyšší organismy • Molekulární neurobiologie, neuroanatomie, neurofyziologie, neuroetologie…. .

Extrémní složitost NS byla a stále je obtížnou překážkou • 1838 Matthias Schleiden – buněčná teorie pro rostliny • 1839 Theodor Schwann – buněčná teorie pro živočichy • 1880 – neuronová doktrína • Nahrazuje retikulární teorii • NS není syncytium

Santiago Ramón y Cajal & Camillo Golgi • barvící metoda italského anatoma Camillo Golgiho umožňuje španělskému neuroanatomovi Santiago Ramón y Cajalovi popsat jednotlivé neurony v různých částech NS • 1960 – Nobelova cena za fyziologii a medicínu

Zobrazovací metody v neurobioloii – Barvení • Chemická fixace - stabilizace proteinů a jiných labilních komponent • Mechanická fixace – vosk, pryskyřice - tenké řezy • Aplikace barviv – Golgiho barvení barví jen 5% neuronů, podstata barvení není stále objasněna, velmi používana metoda v neuroanatomii dodnes

Neuroanatomické sledování nervových drah Léze degenerace, regenerace axonů Extracelulární injekce barviv „mass staining“

Neuroanatomické sledování tvaru jednotlivých neuronů Intracelulární barvení (kobalt chlorid křenová peroxidáza fluorescenční barviva Luciferová žluť)

Nervový systém je tvořen neurony a gliovými buňkami • Neurony – Tělo, dendrity, axony, • Příjem, integrace, vedení a předávání signálu • princip dynamické polarizace • princip specificity spojení – Anaxonální, unipolární, bipolární, multipolární – Aferentní, eferentní, interneurony • Projekční interneurony • Lokální interneurony

Dendrity Tělo Axon

Neuron ganglia zadniích míšních rohů Neobratlovčí neuron Centrální axon Neuron retiny Periferní axon Unipolární Pseudo-unipolární Bipolární Apikální dedrity Míšní motoneuron Bazální dendrity Pyramidová buňka hippocampu Axonová kolaterála Axon Multipolární Purkyňova buňka mozečku

Neurony spolu komunikují na synapsích • Synapse • neurony presynaptické a postsynaptické • reciproční, jednosměrné – Chemické • přenos informace mediátorem – Elektrické • (těsná spojení, gap junctions) • přenost informace elektricky

Synaptické váčky Presynaptické neurony Postsynaptický neuron Elektrická synapse

A Reciproční synapse Presynaptický neuron B Postsynaptický neuron C Postsynaptický neuron Presynaptický neuron

Gliové buňky mají vedle podpůrné funkce mnoho dalších • CNS – Astroglie - astrocyty – Mikroglie – Oligodendroglie - oligodendrocyty • Periferní NS – Schwannovy buňky

Astrocyty – Oligodendroglie – Mikroglie - obrana Schwannovy buňky – myelin periferního podpora a výživa myelin mozku a míchy NS

Myelin umožňuje neuronům rychlý přenos informací • Axony a dedrity obratlovců • Schwannovy buňky – Jedna S. buňka - úsek axonu jednoho neuronu • Oligodedroglie – Jedna oligodendroglie - myelinu mnoha neuronů – Ranwierův zářez - oblast bez myelinu • Roztroušená skleróza

Schwannova buňka Myelin

Axon Ranvierův zářez Axon Oligodendrocyt Axon

Složení neuronální membrány podmiňuje unikátní vlastnosti neuronů • Fosfolipidy – lipidová dvojvrstva – 4 nm, TEKUTÁ – hydrofilní hlava (míří k povrchům membrány) – 2 hydrofobní ocásky (míří do nitra membrány) • Bílkoviny – Pohybují se, pokud nejsou ukotveny cytoskeletem

Hydrofilní hlava (polární konec) Hydrofobní ocásky (nepolární konce) 4 nm Neuronální membrána

Fosfolipidová dvojvrstva Iontový kanál Povrchová bílkovina Transmembránová bílkovina

Vlastnosti neuronální membrány jsou dány vlastnostmi bílkovin • Transportní – iontové kanály – iontové pumpy – jiné transportní mechanismy 20 % • Signální – Receptory - váží signální molekuly a zahajují odpověď neuronů – G proteiny – zahajují kaskádu biochemických reakcí odpovědi neuronu na podnět – Jiné enzymy – katalyzují biochemické reakce odpovědi neuronů • Vazebné – Adhezní proteiny – váží neurony k jiným buňkám – Proteiny cytoskeletu – váží neuronální membránu k vnitřnímu cytoskeletu

Iontový pór 6 transmembránových smyček spojeno řetězci aminokyselin S 4 Spirály transmembránových smyček 4 podjednotky Iontový kanál pro Na+ S 4 podjednotka

Iontové kanály umožňují průchod iontů přes nepropustnou membránu • Neřízené (non gated) – otevřené = leakage channels • Řízené (gated) – jsou uzavíratelné – Ligand gated - otvírají/zavírají se v přítomnosti ligandu – Napěťově řízené – ovládané membránovým potenciálem – Mechanicky řízené – ovládané natažením membrány – Konexony – iontové kanály v elektrických synapsích • Iontově – selektivní (řízené velikostí póru)

Řízené iontové kanály Konformační změna Ucpání póru

Kanály elektrických synapsí (gap junctions) = konexony Rotace konexinů Otvírá/zavírá kanál Konexony 3, 5 nm Póry spojující 2 neurony 2 -3 nm dia OPEN 20 nm Mimobuněčný prostor Konexiny (1 kanál má 6 konexinů)

Vlastnosti iontových kanálů určují schopnost neuronů zpracovávat informace • Napěťově řízené kanály • aktivní vedení elektrické odpovědi • Ligandy řízené kanály • příjem informace od jiného neuronu • modulace odpovědi neuronu v čase • vzniku některých smyslových vjemů (chuť, čich) • Mechanicky řízené • všechny typy mechanického čití

Iontové pumpy přenáší látky proti koncentračnímu gradientu • Vyžadují energii pro přenos iontů proti koncentračnímu spádu • Vícestupňové, relativně pomalé procesy • Např. sodíko-draslíková pumpa neuronů – 3 Na+ ven, 2 K + dovnitř – tzv. elektrogenní – vytváří potenciál na membráně – základ neuronální komunikace

3 D rekonstrukce Sodíkodraslíková pumpa E mění tvar transportního proteinu – ten se otevře do ICT a „spolkne“ 3 Na + mění transportní molekulu – uzavírá vnitřní část a otevírá vnější Hydrolýza ATP na ADP + E ECT 2 K + uzavírá vnější otvor a otevírá vnitřní Na+ ICT Otevřená vnější část pojme 2 K + K+

Signální proteiny - receptory – Odpovídají na signální molekulu (ligand) – Zahajují neuronální odpověď • Ionotropní • Metabotropní

Receptory ionotropní Signální molekula Receptorový protein Enzym Iontový proud G protein Biochemická reakce Receptory metabotropní

G proteiny – Metabotropní typy receptorů • Katalyzují konverzi GTP na GDP a současně • Interagují s jinými na membránovými proteiny – Adenylyl cykláza – Fosfolipáza C – Fosfodiesteráza • zvýšení/snížení dostupnosti klíčového metabolitu nebo iontu

Vazebné proteiny • Adhezní proteiny – Vývoj NS - identifikace cílových buněk – = receptory rozpoznávající přítomnost signální molekuly • Kotvící proteiny – Kotví membránu na intracelulární proteiny skeletu neuronu – Základ strukturální stability a tvaru neuronu

Specifické podbuněčné neuronální elementy • Zvrásnělé endoplasmatické retikulum (Nisslova tělíska) • syntéza nových membránových proteinů membránové proteiny neustále obnovovány • Měchýřky • Průsvitné v EM – Koncentrovány do oblastí synaptických zakončení • Dense-core měchýřky – v EM jako pevné částice – neurony s peptidickými signálními molekulami či sekretující hormony • Vláknité struktury • Mikrofilamenty, neurofilamenty

Neurony se dynamicky mění • Axonální transport – transportuje vše, co není ukotveno – Anterográdní (odstředivý) 0, 5 -400 mm/den – • Pomalý – rozpustné proteiny » alfa a beta tubulin a proteiny neurofilament » Aktin, kalmodulin a různé enzymy • Rychlý - v membráně obalené molekuly – Retrográdní (dostředivý) 200 mm/den – – V membráně obalené molekuly – Různé transportní mechanismy mají různou afinitu k transportovaným látkám

Mikrotubul 0, 0 0, 24 Membránou obalené měchýřky 0, 48 0, 72 0, 96 VIDEO Pohyb po krocích 1, 20 Obří axon sépie 1 mm 0, 1 mm

Mechanismus dostředivého axonálního transportu Membránová organela Kinesin 8 nm Mikrotubul Směr k tělu neuronu Chodidlo kinesinové molekuly se na mikrotubul střídavě váže a uvolňuje – podstatou je konformační změna kinesiové molekuly, která „napíná“ navázanou „nohu“ a uvolněnou posouvá vpřed

Axonální transport vyžaduje energii a přítomnost specifických motorických proteinů • Hydrolýza ATP • Motorické proteiny – nejméně 7 skupin – tvz. Kinesin Family (KIF) motorické proteiny – Kinesin – dostředivý transport • hlava a 2 ocásky, 8 nm/krok váže membránové organely – Dynein – odstředivý transport • Váže měchýřky a mikrotubuly • Regulace transportu prostřednictvím vlivu na motorické proteiny • Proteinkináza A (fosforyluje kinesin) a ten je inhibován

Neuroanatomie

• popisuje hlavní strukturální charakteristiky NS a jejich vzájemné propojení • „mapa“ NS různých živočichů má různou strukturální organizaci • specifické propojení jednotlivých částí NS podmiňuje specifické chování

Sagitální Dorsální Kaudální Posteriorní Craniální Anteriorní Podélná Ventrální Příčná

Sagitální Frontální Horizontální Roviny

• CNS - mozek a mícha • Příjem smyslových informací • Organizace motorických akcí • Příjem rozhodnutí o současné situaci na základě předcházejících zkušeností • Vzájemná komunikace • Kontrola autonomních i somatických funkcí • Periferní NS • Nervy – aferentní – sensorické, – eferentní – motorické, smíšené • Ganglia - shluky neuronů a vláken obalené pojivovou tkání – Autonomní NS – Somatický NS - vstupy ze smyslových orgánů, koordinace volních pohybů

Mozek Mícha Vlákna aferentní CNS Ganglion Somatické nervy Autonomní nervy Vlákna eferentní

Rozmanitost stavby NS Neurony Složené oko Mozek Centrální spojky Mozek Ganglion Mozek Složené oko Ganglion Mozek Žebříčková NS Splynuté hrudní ganglion

Nervový systém bezobratlých • Houby nemají NS • Cnidaria (mořské sasanky, medůzy, nezmar) difuzní NS • Echinodermata (starfish, sand dollars) – nervový kruh a periferní nervy • Molusca (sepie) – ganglia tvořící CNS • Annelida a Arthropoda – hlavová ganglia a žebříčková NS – Zpracovává smyslové informace – Vytváří rozhodnutí – Kontroluje chování

Struktura ganglia bezobratlých Foto Těla neuronů Axony v traktech Schema Neuropil - dendrity a synapse Periferní nervy většinou vycházejí z ganglií Obal z pojivové tkáně

Průřez neurálními spoji hrudních ganglií hmyzu Průměry neuritů jsou rozmanité, axony nejsou myelinizované

CNS obratlovců - mícha Bílá hmota Zadní míšní rohy Míšní kanál Šedá hmota Přední míšní rohy

Bílá hmota Šedá hmota Zadní míšní rohy Zadní kořeny míšní Centrální kanál Přední míšní rohy Přední kořeny míšní Míšní nerv Zadní míšní ganglion

Mozek Mícha Míšní nervy horních končetin Míšní nervy hrudního koše Míšní nervy dolních končetin Krční nervy 8 párů Hrudní nervy 12 párů Bederní nervy 5 párů Sakrální nervy 5 párů

Cerebrum Žába Zrakové tektum Mozeček Cerebrum Mícha Mozeček Papoušek Zrakové tektum Mícha Cerebrum Mozeček Pes Mícha

Centrální rýha Precentrální lalok Frontální (čelní lalok) Postcentrální lalok Parietální lalok Occipitální lalo Laterální žlábek Temporální lalok Most Prodloužená mícha Mozeček Mícha

Čichový trakt Sagitální rýha Čichový lalok Optický nerv Podvěsek mozkový Mamilární tělíska Temporální lalok Prodloužená mícha Mozeček Most Mícha Occipitální laloky

Vývoj NS • Mozek a mícha vznikají na dorsální straně embrya z 2 zárodečného listu – Posteriorně vzniká mícha – Anteriorně vzniká mozek – Postupně se formují 3 hlavní oddíly mozku – Přední mozek (prosencephalon) – Střední mozek (mesencephalon) – Zadní mozek ( rhombencephalon)

Koncový mozek Přední mozek Střední mozek Zadní mozek Mezimozek Thalamus Hypothalamus Epifýza Most Prodloužená mícha Mozkové hemisféry Střední mozek Mícha

Přední mozek (prosencephalon) • Telencaphalon • mozkové hemisféry • Diencephalon • thalamus » nc. geniculatus laterale » nc. geniculatus mediale • Hypothalamus • Hypofýza • Bazální ganglia • Limbický systém

Střední mozek (mesencephalon) • • • Nc. superior colliculus (optic tektum) Ns. inferior colliculus (auditory relay) Tegmentum Red nucleus (červené jádro) Substantia nigra

Zadní mozek (rhombencephalon) • Metencephalon – Cerebellum – Pons • Prodloužená mícha • Mícha

3. komora Levá komora 4. komora Centrální kanál Mozkové komory Pravá komora Mozkový aqueduct

• Mozkové komory vyplněny mozkomíšním mokem – čirá tekutina iontů bez bílkovin a krevních elementů – stálé vnitřní prostředí nezbytné pro funkci mozku • Mozkové pleny – obalují mozek, tvoří mozkomíšní mok a podílí se na jeho cirkulaci mozkem • Cévy vstupující do mozku jsou obaleny vrstvou buněk s obvzvlášť těsnými spoji, brání průniku mnoha látkám do ECT mozku – hematoencefalická bariéra

Mícha Zadní Hemisféry Střední Přední 35 25 dní 40 Střední Most 50 100 Prodl. mícha 5 měsíců

Terminologie • Gyrus – giri (pl. ) – záhyb • Sulcus – sulci (pl. ) – žlábek • Nucleus – nuclei (pl. ) – jádro

Thalamus. Centrální rýha Corpus callosum Parietální lalok Frontální lalok Střední mozek Temporální lalok Mezimozek Most Prodl. mícha Mícha Occipitální lalok mozeček

Mozkový kmen • Regulace základních tělních funkcí - jádra • Hlavní dráhy pro komunikaci s CNS – Pyramidální trakt – Kortikospinální – Spinokortikállní • Retikulární formace = aktivační systém – neurony této sítě tvoří řadu biochemicky a morfologicky odlišitelných skupin • Mnohá jádra mostu a prodloužené míchy mají vztah k hlavovým (kraniálním) nervům

I. Čichový trakt II. Optický Čichový lalok III. Occulomotorický Hypofýza IV. Trochlear Most V. Trigeminal XI. Accessory VII. Facial VIII. vestibulocochlear IX. glossopharyngeal X. vagus VI. abducens XII. hypoglossal Mícha Hlavové nervy

Retikulární formace – – – Modulace vnímání bolesti Modulace určitých posturálních reflexů Účast na kontrole dýchání a srdeční aktivity Regulace aktivace mozku (arousal) U člověka regulace vědomí – např. jádro raphe je významné pro udržení bdělosti, poškozeni vede ke komatu – Všechny smyslové informace vstupují do REF – zde se monitoruje jejich důležitost, je-li zaregistrován kritický vstup, jsou aktivována vyšší mozková centra – REF rozhoduje porovnáním smyslových vstupů a informací z kůry

Řez prodlouženou míchou Thalamus Střední mozek k mozečku (odstraněno) Prodloužená mícha Mícha Jádra dorsálních sloupců Centrální kanál Retikulární formace Mediální lemniscus Pyramidové dráhy

Midsagitální řez lidským mozkem Corpus callosum 3. komora Superior colliculus Inferior colliculus Střední mozek Jádro Raphe Most Prodloužená mícha Mozeček

Mozeček • Připevněn k mostu párem pedunkulů • Koordinace motorických akcí – Udržování svalového tonu během volních a reflexních pohybů – Plánování a vykonávání jednoduchých a složitých volních pohybů • Učení a paměť motorických dovedností • Určité typy kognitivních funkcí – Mentální manipulace s prostorovými vztahy • Mozečková kůra

Buněčná organizace mozečku Purkyňova buňka Paralelní vlákno Purkyňova buňka Granulární buňky Mechové vlákno Šplhavé vlákno Mozečkové jádro

Střední mozek • Hlavní komunikace mezi vyššími a nižšími centry CNS • Zrakové a sluchové informace – Tektum – nad aqueduktem – zrakové signály Tegmentum – pod aqueduktem – sluchové signály - Torus semicircularis – – Superior colliculi – zrakové informace – Inferior colliculi – sluchové informace • Červené jádro • Substantia nigra – orientační reflexy – posturální reflexy a volní pohyby • Parkinsonova choroba

Řez lidským středním mozkem Tektum Tegmentum Colliculuc Mozkový aquedukt Červené járdro Substantia nigra Basis pedunculi Kortikospinální trakt

Přední mozek • Diencephalon – U vyšších překryt telencephalonem – Thalamus (samci) – přepojování všech smyslových funkcí • Nucleus geniculatus lateralis - zrak • Nucleus geniculatus medialis - sluch – Hypothalamus – regulace homeostazy • Kontrola chování – Pití – Jídlo • Kontrola endokrinního systému prostřednictvím hypothalamu • Kontrola autonomního NS – krevní tlak a tělní teplota • Součást systému kontrolujícího emoce • Telencephalon

Telencephalon • Mozkové hemisféry – Pokryty mozkovou kůrou – Spojeny corpus callosum • Interpretace smyslových vstupů • Organizace motorických výstupů • Abstraktní myšlení • Regionální organizace mnohých korových funkcí zdánlivě nesleduje žádný logický plán – I když např. víme význam slova vidlička, může se stát, že vidličku nepoznáme

Kontrola motoriky Centrální rýha Chuť Frontální kůra Hmat, kožní smysly Postcentrální rýha Zrak Čich Occipitální kůra Sluch Temporální kůra Funkční oblasti mozkové kůry Mozeček Mícha

Bazální ganglia Striatum/ neostriatum • Skupina jader nahloučená kolem thalamu • Mají společnou funkční roli – Putamen Lentiform – Globus pallidus nucleus – Nucleus caudatus • Kontrola volních pohybů • Spolu se substantia nigra a subthalamickými jádry tvoří extrapyramidální motorický systém

Bazální ganglia lidského mozku Lentiformní jádro Putamen a Globus pallidus Caudate nucleus Corpus striatum Thalamus Substantia nigra (midbrain) Subthalamické jádro

Bazální ganglia Subthalamic Substantia nucleus nigra Nucleus caudatus Globus pallidus Putamen Lentiformní Neostriatum jádro Corpus striatum

Limbický systém • Skupina jader v telencephalonu • kolem diencephalonu a bazálních ganglií (ruka kolem rukojeti hole) - funkční propojení – Gyrus cingulatus – (nad corpus callosum) – Parahippocampal gyrus a uncus (mediální povrch temporálního laloku) – Fornix (nad 3. komorou) – Amygdala – Hypocampální formace – Nucleus septatus

Corpus callosum Gyrus cingulatus Centrální rýha Fornix Thalamus Hypothalamus Mamilárni těleso Optické chiasma Čichový trakt Optický Uncus nerv Parahipokampální gyrus Limbický systém - midsagitální řez

Gyrus cingulatus Frontální lalok (pravá hemisféra) Fornix Mamillární těleso Septální Čichový jádro lalok Hypothalamus Amygdala Hippocampální formace Temporální lalok (odstraněn)

Limbický systém • Úzká spolupráce s thalamickými a hypothalamickými jádry • Kontrola emocionálního chování (agresivita, strach) • Uchovávání dlouhodobé paměti – Hippocampus – součást hippocampální formace – Léze hippocampu vede ke ztrátě paměti – H. M. pacient

Autonomní NS • Termín autonomní používán obvykle pro periferní část ANS • Mozek integrální součást regulace autonomních funkcí – Sympatický - připravuje tělo k akci – Parasympatický – relaxace, regenerace • Většina orgánů je inervována oběma systémyantagonistické působení – Enterický – semiautonomní, ganglia tvoří 2 plexy kolem střeva • Myenterický - mezi svaly střeva • Submukosální – ve střevní sliznici

Sympatikus • Téměř všechny orgány sympaticky inervovány • Ganglia jsou poblíž míchy – tvoří paravertebrální řetězec • Nervy vybíhají z míchy v hrudních nebo bederních nervech • Adrenalin • Od míšního nervu ke gangliu - bílé (myelinizované) spojky v gangliu – synapse s postgangliovými neurony – bez přerušení – ascendentní / descendentní spoje • z ganglia k orgánu – šedé (nemyelinozované) spojky

Interakce VNS s orgány Mícha Míšní ganglion Míšní nerv Preganglivové vlákno Přední kořen Přední míšní roh Autonomní ganglion Postgangliové vlákno

Paravertebrální řetězec Cervikální ganglia A – horní B – střední A C – spodní B C D E Interakce autonomního sympatického NS a tělních orgánů F D – celiakální ganglion E – horní F – dolní mesenterické. g.

Pregangliové vlákno Postgangliové vlákno Pregangliové vlákno Celiakální ganglion Postgangliové vlákno Míšní nerv Paravertebrální Gangliový řetězec Autonomní nerv

Parasympatikus • Parasympatická pregangliová vlákna vybíhají z – Mozkového kmene – hlavové nervy – Křížová část míchy • Ganglia leží v blízkosti inervovaných orgánů • Dráhy pregangliových vláken jsou jednoduché – V příslušných míšních nervech – Parasympatikus neinervuje • kůži • krevní kapiláry

III VI IX X Splanchnický nerv

Enterický NS • Počet neuronů jako v míše • Vliv sympatiku i parasympatiku – upravují semiautonomní aktivitu enterického NS • Zpracovává místně smyslové informace

A Myenterický plexus Podélná svalovina Kruhovitá svalovina Podslizniční plexus B Submukoza Sliznice Neuronální plexus tenkého střeva morčete

Autonomní mozek • Mozkový kmen • Hypothalamus- homeostatické centrum – Oblast interakce autonomního NS s ostatními částmi NS – Interakce s limbickým systémem • Kůra - představy