Az agykéreg szerveződése

Átírás

1 Az agykéreg szerveződése 1

2 Az agykéreg evolúciója A neocortex alapszerkezete 1,5-4,5 mm vastag 100 milliárd neuron, 10-15x ennyi glia neuron/mm 3 citoarchitektonika (Brodman) myeloarchitektonika koniocortex v. granuláris agranuláris (motor, premotor) eulaminált v. homotipikus (asszociációs) rétegek 1-6 2

3 A neocortex alapszerkezete 1,5-4,5 mm vastag 100 milliárd neuron, 10-15x ennyi glia neuron/mm 3 citoarchitektonika (Brodman) myeloarchitektonika koniocortex v. granuláris agranuláris (motor, premotor) eulaminált v. homotipikus (asszociációs) rétegek 1-6 Az agykéreg sejttípusai 1. piramissejtek (70 %) sejtrégiók Betz (A4 motor tractus pyramidalis) Meynert (V1, l. 5-6,coll. sup., pons) morfológia és tüzelés regular spiking, burster, chattering tüskés csillagsejtek (spiny stellate) l. 4 fast spiking helyi axon, nincs apikális dendrit GABAerg sejtek (20 %) posztszinaptikus régió szerint (~hippocampus) rétegek Cajal-Retzius l.1, Martinotti l.6 tüzelés: FS, RSNP, bitufted, LS, IS, bursting 3

4 A piramissejtek típusai: anatómia A piramissejtek típusai: tüzelés pyr 10 µm 4

5 A piramissejtek tüzelését befolyásoló ionáramok 1. A piramissejtek tüzelését befolyásoló ionáramok 2. 5

6 Sejttípustól függő visszaterjedés A piramissejtek tüzelése 3: Visszaterjedés a szómába és a dendritekbe piramissejt Szimultán háromelektródás whole cell patch clamp elvezetés egyetlen piramissejten: Purkinje sejt és interneuron 2 1 A Na-csatornák az axon iniciális szegmentumon sűrűsödnek 6

7 A feszültségfüggő ioncsatornák eloszlása sejtterület függő H-áram / HCN csatornák 5 mv 100 ms Pyramidal cell Az agykéreg sejttípusai 2. piramissejt (70 %) sejtrégiók Betz (A4 motor tractus pyramidalis) Meynert (V1, l. 5-6,coll. sup., pons) morfológia és tüzelés regular spiking, burster, chattering tüskés csillagsejt (spiny stellate) l. 4 fast spiking helyi axon, nincs apikális dendrit GABAerg sejtek (20 %) posztszinaptikus régió szerint (~hippocampus) rétegek Cajal-Retzius l.1, Martinotti l.6 tüzelés: FS, RSNP, bitufted, LS, IS, bursting 7

8 A tüskés csillagsejtek jellemzői A tüskés csillagsejtek jellemzői Tüskés csillagsejt és piramissejt patkány barrel kéregben 8

9 Az agykéreg sejttípusai 3. piramissejt (70 %) sejtrégiók Betz (A4 motor tractus pyramidalis) Meynert (V1, l. 5-6,coll. sup., pons) morfológia és tüzelés regular spiking, burster, chattering tüskés csillagsejt (spiny stellate) l. 4 fast spiking helyi axon, nincs apikális dendrit GABAerg interneuronok (20 %) klasszikus morfológiai típusok: kosársejt, kettős csokor sejt, kandeláber sejt, rétegek Cajal-Retzius l. rétegben tüzelés: FS, RSNP, bitufted, LS, IS, bursting neurokémiai markerek szerint: parvalbumin, somatostatin, NPY, calretinin Pyramidal cell Double bouquet cell Martinotti cell Fast spiking cells basket cell 9

10 Neurogliaform sejtek jellemzői későn tüzelő tüzelési mintázat 100. Cajal eredeti készítménye és rajza: "cellule neurogliforme" (Defelipe and Jones 1988, p. 590) 100 µm Fast spiking cells Kandeláber sejt Szentágothai (1975) Brain Res, 95,

11 Az agykéreg kéregalatti bemenetei 1. Thalamus minden kéregterületre l.4-be sűrűbb a bemenet perifériás topográfia megmarad, nagyítási faktor (Whitteridge) barrel kéreg (Van der Loos) 20 kéregalatti terület monoaminerg dopamin - rostralis mesencephalon noradrenalin - locus coeruleus serotonin - raphe kolinerg extrinsic - nucl. bas. Meynerti, diagonal band of Broca l.1 intrinsic GABAerg intrinsic extrinsic - basalis elöagyból GABAerg sejtekre Szomatoszenzoros projekciós térképek 11

12 Szomatoszenzoros projekciós térképek: barrel kéreg (Woolsey and Van der Loos, 1970) Az agykéreg kéregalatti bemenetei 2. Thalamus minden kéregterületre l.4 sűrűbb perifériás topográfia megmarad, nagyítási faktor (Whitteridge) barrel kéreg (Van der Loos) 20 kéregalatti terület monoaminerg dopamin - rostralis mesencephalon noradrenalin - locus coeruleus serotonin - raphe kolinerg extrinsic - nucl. bas. Meynerti, diagonal band of Broca l.1 intrinsic GABAerg intrinsic extrinsic - basalis előagyból GABAerg sejtekre 12

13 Az agykéreg kortiko-kortikális kapcsolatai a bemenetek 99 %-a feedforward l.2/3->l.4 feedback l.5-6->l.1, l.4 axonhossz fehérállomány 9m/mm3, szürkeáll. 3km/mm3 lokális dominancia vetítési foltok Szinaptikus kapcsolatok típusai kémiai elektromos Gray I (84 %), glutamáterg (AMPA, NMDA, kainát, mglur) Gray II (16 %), GABAerg (GABAA: gyors, GABAB: lassú) térfogati jelátvitel, extraszinaptikus hatások Kapcsolási alapsémák soros modell, laterális inhibíció (Hubel, Wiesel) rekurrens modell Lorente de Nó Információ kódolás tüzelési ráta koincidencia detekció oszcillációk oszlopos szerkezet orientációs oszlopok optical imaging agykérgi modul Szubszinaptikus és extraszinaptikus receptor eloszlás AMPA, GABAA NMDA mglur, GABAB 13

14 A piramissejtek szinaptikus kapcsolatai Pyramidal cell Paired recording Monosynaptic EPSPs dendritic spine and shaft pyr pyr 10 µm Reciprocal connections Az agykérgi neuronok szinaptikus céljai Pyramidal cell Double bouquet cell Martinotti cell Fast spiking cells Neurogliaform cell basket cell dendritic spine and shaft dendritic shaft and spine dendritic shaft and spine soma, dendritic shaft axo-axonic cell axon initial segment a ais 14

15 Az agykérgi interneuronok a posztszinaptikus sejtek eltérő területein végződnek Double bouquet cell Neurogliaform cell Martinotti cell Basket cell Axo-axonic cell Pyramidal cell Az interneuronok szinaptikus kapcsolatai 1 pre Neurogliaform sejt Martinotti sejt poszt poszt poszt kosársejt 15

16 Az interneuronok szinaptikus kapcsolatai 2: Gátlás GABA A és GABA B receptorokon át Neurogliaform sejt Martinotti sejt pre kontroll bicuculline poszt kosársejt +CGP35348 kimosás Phasic and tonic inhibition through GABAA receptors Farrant and Nusser 2005 Nat Rev Neurosci 6,

17 Gain control by tonic inhibition Brickley et al Nature 409, 88 GABAA receptors responsible for phasic and tonic inhibition have different subunit composition GABA released by neurogliaform cells Glykys and Mody 2007 Neuron 56,

18 Neurosteroids modulate tonic inhibition through GABAA delta receptors Glykys and Mody 2007 Neuron 56, 763 Farrant and Nusser 2005 Nat Rev Neurosci 6, 215 Neurogliaform cells are primary targets for alcohol Mody et al Alcohol 41,

19 Pairing of inputs with characteristic densities of voltage gated ion channels HCN1 density (gold / µm) GABA A + GABA B Neurogliaform cell Proximal Distal dendritic membrane spine membrane dendritic membrane spine membrane Na channel density low GABA A GABA A Martinotti cell Basket cell soma membrane Na channel density high GABA A Axo-axonic cell Pyramidal cell Az interneuronok kimenete sejttípus szelektív GABA A +GABA B Neurogliaform cell Martinotti cell GABA A interneuron specific interneuron GABA A Basket cell GABA A Pyramidal cell Axo-axonic cell 19

20 Az interneuronokat elektromos szinapszisok kötik össze interneuron-interneuron: connected piramid-pyramid: not connected Az elektromos szinapszisok a dendritek között találhatók 10 µm 0.2 µm 0.1 µm Action potentials signal through gap junctions Presynaptic action potentials 50 ms Postsynaptic response, control 0.3 mv NBQX, AP-5 Presynaptic action potential 5 ms Postsynaptic responses (control and drugs) 20

21 Az elektromos szinapszisok hatása kombinálódik a kémiai szinapszisok működésével 10 µm Presynaptic action potential 25 ms Postsynaptic responses control 0.5 mv bicuculline GABA 4 Electron microscopically verified sites of interaction Presynaptic action potential 2 ms Postsynaptic responses bicuculline control gap junction 1 gap junction 2 GABA 3 GABA 2 GABA 1 Lorente de Nó (1938) reverberatory circuit Az információáramlás agykérgi sémái Lorente de Nó, in FA Beach, DO Hebb, CT Morgan, HW Nissen, eds., The Neuropsychology of Lashley (New York: McGraw-Hill, 1960 ) Lorente de Nó, in J. F. Fulton: Physiology of the Nervous System, Oxford University Press, 1949) Donald O. Hebb (1949) memory formation with functionally linked cell assemblies A C D B 21

22 Az információáramlás agykérgi sémái Feed-back inhibition Agykérgi oszlopok 22

23 Agykérgi oszlopok: The Blue Brain project 10 4 neuron, 10 8 intrinsic synapses, 10 4 input synapses, 10 4 output synapses IBM eserver Blue Gene: 22.8 teraflops, 8096 CPUs, 100 kw Agykérgi orientációs oszlopok rate coding 23

24 Agykérgi orientációs oszlopok: Optical imaging módszer Agykérgi orientációs oszlopok: Optical imaging módszer Orientation pinwheels 24

25 Agykérgi orientációs oszlopok: In vivo kétfoton képalkotás Rat (not columnar) Cat (columnar) (.avi) (.avi) Az agykérgi működés időviszonyai: Koincidencia azonosítás Spike time dependent synaptic plasticity between monosynaptically coupled pyramidal cells 25

26 Az agykérgi működés időviszonyai: Szinkronizáció és a kötési jelenség autocorrelations cross-correlations Arcimboldo ( ): Autumn Singer (1989): sychronization (< 5ms) binding different features into a perceptual entity Az elektromos szinapszisok hatása kombinálódik a kémiai szinapszisok működésével 10 µm Presynaptic action potential 25 ms Postsynaptic responses control 0.5 mv bicuculline GABA 4 Electron microscopically verified sites of interaction Presynaptic action potential 2 ms Postsynaptic responses bicuculline control gap junction 1 gap junction 2 GABA 3 GABA 2 GABA 1 26

27 Gamma frequency synchronization via gap junctions and GABAergic synapses Presynaptic 40 Hz cycle Presynaptic 40 Hz spike train Postsynaptic firing, consecutive single sweeps 40 mv 25 ms 25 presynaptic entrainment Firing probability (%) control Time (ms) 27

28 Az axonból hiányzik a klorideltávolító molekula GABA kosársejt Cl - Na + K + 2Cl - Cl - Cl - K + Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - GABA kandeláber sejt Cl - Cl - Az axon kezdeti szakasza az idegsejtek legérzékenyebb pontja Funkcionális polaritás dendritek bemenet sejttest Axon iniciális szegmentum integráció kódolás axon kimenet 28

29 A kandeláber sejt a leghatékonyabb serkentő sejttípus serkentő sejt kandeláber sejt serkentő sejt kandeláber sejt A kandeláber sejtek a neuronhálózat karmesterei: Több, mint egy bit! Szabadics et al. Science (2006) 311,

30 A kandeláber sejtek segítenek az összetett információcsomagok kialakulásában Hebb-féle neuronhálózat A B C D 30