Szinaptikus folyamatok

Átírás

1 Szinaptikus folyamatok Jelátvitel az idegrendszerben Elektromos szinapszisok Kémiai szinapszisok Neurotranszmitterek és receptoraik Szinaptikus integráció Szinaptikus plaszticitás Kettős információátvitel az idegrendszerben analóg: folyamatos és fokozatmentes (csak ez: nonspiking neuronok) digitális: minden vagy semmi Funkcionális polaritás dendritek bemenet szóma Axon iniciális szegmentum: Na-csatornák integráció kódolás axon kimenet 1

2 Elektromos szinapszisok 1: gap junction (réskapcsolat) EM felülnézet keresztmetszet connexin innexin pannexin Elektromos szinapszisok 2 anyagtranszport Elektromos szinapszisok általános jellemzői 1. Kapcsolási koefficiens V A / V B 2. Áramkörileg egy ellenállásnak plusz egy aluláteresztő szűrőnek felelnek meg 3. Példák 1959 Furhspan & Potter: rák idegsejtek retina amakrin sejtek agykérgi interneuronok simaizom, szívizom, érzékszervi receptorsejtek 2

3 Elektromos szinapszisok 3 Szimmetrikus elektromos szinapszis Elektromos szinapszisok 4 Aszimmetrikus (rektifikáló) elektromos szinapszis 3

4 Presynaptic cell firing pattern 40 mv Electrical coupling between cortical basket cells is mediated through somato-dendritic gap junctions 200 ms Postsynaptic cell firing pattern 10 µm 0.2 µm 0.1 µm Presynaptic action potentials 50 ms Postsynaptic response, control 0.3 mv NBQX, AP-5 Presynaptic action potential 5 ms Postsynaptic responses (control and drugs) Tamás et al. (2000) Nature Neuroscience 3, 366 A kémiai szinapszisok működési sémája 4

5 Szinapszistörténelem Claude Bernard 1852: kurare Sherrington 1898: szinapszis név és koncepció Cajal 1909: neuron doktrína Otto Loewi 1921: izolált bákaszív nervus vagussal vagus stimulációra lelassul a szív: vagusanyag, vagusstoff Dale 1936: acetilkolin az átvivőanyag Eccles 1950-es évek: intracelluláris elvezetés, szinaptikus serkentés és gátlás Katz 1952-től: kvantális ingerületátvitel Ahlquist 1948: receptor fogalom, α és β adrenerg receptor A kémiai szinapszisok két fő típusa 5

6 Gyors kémiai szinapszisok Ideg-izom preparátum Kuffler 1942 Szinaptikus potenciálok Fatt & Katz 1951 Véglemez potenciál (epp) megelőzi az akciós potenciált D-tubokuranin: nachr kompetitív antagonista eppmax, mv epp, mv Elektróda távolsága a véglemeztől, mm 6

7 Szinaptikus áramok posztszinaptikus potenciál feszültségzár alatt posztszinaptikus áram ingerlés Fordulási (reverz) potenciál 7

8 +60 mv Fordulási (reverz) potenciál nachr permeabilitás: Na + és K + I K = g K (V m -E K ) I Na = g Na (V m -E Na ) = I K = I Na V m = E rev = g K E K + g Na + g K g Na g Na + g K E Na -100 mv Posztszinaptikus serkentés és gátlás EPSP IPSP IPSC EPSC A gátlás polaritása megváltoztatható Csigaagy H-sejt 8

9 Compartmentalized GABA reversal potentials in pyramidal cells ± 3.0 mv ± 4.8 mv Szabadics et al. Science (2006) 311, resting MP: ± 5.6 mv Direct spike transmission from axo-axonic cells to pyramidal cells Szabadics et al. Science (2006) 311,

10 Preszinaptikus gátlás Példa: Rák neuromuszkuláris junkció (emlős példa: gerincvelőbe érkező primer érzőrostok végződésein) glutamát GABA Nincs ingerlés Preszinaptikus mechanizmusok 1 Kvantális transzmitter-felszabadulás (Katz és munkatársai) Miniatűr véglemezpotenciálok (mepp) Spontán események (nincs ingerlés) ingerléssel Előfordult események száma Gauss-eloszlás Kiváltott események (ingerléssel) Transzmissziós hibák Transzmissziós események Poisson-eloszlás ingerlés 10

11 Preszinaptikus mechanizmusok 2 Szinaptikus kvantum: vezikula ACh molekula 2000 nach receptor Readily releasable pool Transzmitter felszabadításra kész vezikulák Szinaptikus exocytosis Torpedo marmorata elektromos szervében (módosult ideg-izom kapcsolat) Preszinaptikus mechanizmusok 3 A preszinaptikus depolarizáció szükséges a transzmitter felszabadításához Hosszú ideig tartó ingerlés Loligo óriás szinapszis Elvezetés hosszú ideig tartó ingerlés alatt ingerlés hossza 11

12 Preszinaptikus mechanizmusok 4 A preszinaptikus kalciumszint növekedés szükséges a transzmisszióhoz Preszinaptikus mechanizmusok 5 A transzmitterfelszabadulás molekuláris mechanizmusa 12

13 Preszinaptikus mechanizmusok 6 A transzmitter vezikulák felszabadulási mechanizmusai Neurotranszmitterek és receptoraik 1 Neurotranszmitter: 1. fiziológiai hatása megegyezik a preszinaptikus stimulációval 2. felszabadul, ha a preszinaptikus neuron aktív 3. hatása ugyanúgy blokkolható, mint a szinaptikus hatás Felolsztás: 1. Kismolekulájú neurotranszmitterek (~ 10 féle, részletesen tárgyaljuk) 2. Neuropeptidek (> 40 féle) a) von Euler and Gaddum 1931: substance P antidiuretikus hormon,hipotalamikus release hormonok, bélhormonok b) szomatikus szintézis propeptid formában,majd hasítás, axonális transzport: limitált mennyiség a szinapszisban c) nagy affinitás a receptorokhoz (10-9 M hatékony) hatásukat metabotrop receptorok és szignalizációs útvonalak erősítik hatás termináció lassú: hosszan tartó hatás d) neuromoduláció: társtranszmitterként is felszabadulnak 13

14 Neurotranszmitterek és receptoraik 2 nikotinos AChR-en át: gyors serkentés Nikotin: agonista Alfa-bungarotoxin: Irreverzibilis antagonista Szerkezeti analógia agonisták és antagonisták között Az acetilkolin körforgása a szinapszisban 14

15 Nikotinos AChR: példa a deszenzitizációra muszkarinos AChR-en át: Lassú gátlás pl. a szívben Gátolható pertussistoxinnal Muszkarin: agonista Inside-out 15

16 Neurotranszmitterek és receptoraik 3 (gerincvelő) (agykéreg, gátlás rák és gyűrűsféreg izomban) GABA B lassú gátlás metabotróp, G i2α AC leszabályzás K + (GIRK) csatornát nyit GABA Agyors gátlás ioncsatorna (Cl -, HCO 3- ) GABA A GABA B 16

17 Az agykérgi neurogliaform sejt - piramissejt kapcsolatokat GABA A és GABA B receptorok közvetítik pre kontroll int bicuculline pyr +CGP35348 kimosás 10 µm Tamás et al. (2003) Science 299,1902 Neurotranszmitterek és receptoraik 4 Receptorok: Ionotróp (agykéreg és gerincvelő, serkentés rák és rovar izomban) NMDA Kainát AMPA (Ca 2+ ) (elnevezés agonisták alapján) Depolarizáció: Mg-blokk megszűnik APV NBQX, UBP 301 NBQX, GYKI52466 antagonisták Metabotróp camp I. csoport II-III. csoport 17

18 Metabotróp glutamát receptor Ionotróp glutamát receptor (NMDA, AMPA, kainát alapszerkezet hasonló) Neurotranszmitterek és receptoraik 4: biogén aminok 18

19 Neurotranszmitterek és receptoraik 5: egyéb kismolekulájú transzmitterek Szinaptikus integráció 1 A neuronokra érkező serkentés hatékonysága függ a szinapszis és az akciós potenciál iniciációs zóna távolságától axon initial segment 19

20 Szinaptikus integráció 2: temporális szummáció Egy vagy több bemenet időben átfedő válaszainak kölcsönhatása A bemenetek hatékonysága függ az időzítéstől és a membrán időállandójától Szinaptikus integráció 3: térbeli szummáció serkentő + gátló Konvergens bemenetek kölcsönhatása A bemenetek hatékonysága függ: a célsejten lévő elhelyezkedéstől az egymáshoz viszonyított pozíciótól 20

21 Szinaptikus integráció 4 A kimeneti frekvencia arányos a depolarizáció mértékével (A küszöb alatti szummáció meghatározza a kimenetet) Gerincvelői motoneuron Modell Shepherd (1999) in Fundamental Neuroscience, p.124. A rákövetkező bemenetek hatékonysága csökken Kísérlet 1. A bemenetek forrásai 2. A bemenetek sejtfelszíni helyzete 3. A szinaptikus kapcsolatok száma? 21

22 Konvergens EPSP-k lineáris összegződése: Szétszórt bemenetek 25 µm Preszinaptikus ingerlési ciklus 1 40 mv 2 10 ms 1 és 2 Posztszinaptikus válaszok 1 mv 1 3D rekonstrukció 2 1 és Tamás et al. (2002) Journal of Neuroscience 22, Dendritikus távolság(µm) Modell Shepherd (1999) in Fundamental Neuroscience, p.124. A rákövetkező bemenetek hatékonysága csökken Kísérlet Tamás et al. (2002) J Neurosci 22, 740 Hatékony plusz bemenetek 22