Agyi régiók finomszerkezete, neuronhálózatok A pszichológia biológiai alapjai II. 4. előadás
Az agykéreg szerveződése Camillo Golgi Golgi impregnációval készült metszetek - funkciók Santiago Ramón y Cajal 1906
1,5-4,5 mm vastag Az agykéreg rétegei I. Felületes réteg (főleg rostok) II. Külső szemcsesejtes réteg III. Külső piramissejt réteg IV. Belső szemcsesejtes réteg ha vastag: granuláris típusú kéregrész ha vékony/nincs: agranuláris kéreg (motoros/premotoros kéreg) V. Belső piramissejt réteg VI. Plexiform réteg
Piramissejtek: tüskés nyúlványok: apikális dendrit (csúcsdendrit) bazális dendritek Interneuronok: tüske nélkül A tüzelési frekvencia/mintázat lehet eltérő - regular spiking - bursting - fast spiking neurogliaform sejtek lassú gátlást okoznak a piramissejteken nagyon sűrű axonfonadékuk van A nagyagykéreg szerveződése kandeláber sejtek axo-axonikus sejtek 500-600 piramissejtet irányítanak GABA a transzmitterük, de serkentőek! kettős csokor sejtek piramissejtek: principális, vetítő sejtek interneuronok: gátló sejtek, egymással sokszor elektromos szinapszist (gap junction) alakítanak ki
A nagyagykéreg szerveződése Giemsa szövettani festéssel láthatóvá tett szerkezeti kép A piramissejtek fluoreszcens képe (kb. 70%, glutamáterg sejtek) A interneuronok fluoreszcens képe (kb. 20%, GABAerg sejtek) 100 milliárd neuron és 10-15X ennyi gliasejt
A nagyagykéreg szerveződése gátló sejtkapcsolatok Interneuronok a GABAerg gátló interneuronok a piramissejtek különböző részeivel szinaptizálnak, így gátlást okozhatnak: a sejttesten (főleg) és a bazális dendriteken kosársejt az apikális dendriteken: Martinotti-sejt neurogliaform sejt VIP interneuron Egyes interneuronok más interneuronokat (is) gátolnak (pl. VIP interneuron) felszabadíthatják a gátlás alól a piramissejteket: gátlástalanítás, dezinhibíció (a gátlás gátlása végül serkentés)
A nagyagykéreg szerveződése gátló sejtkapcsolatok típusai és következményei Az interneuronok: megszabják, hogy mely serkentő hatás érvényesüljön a piramissejteken (pl. milyen érzékszervi információt dolgozzanak fel) bizonyos serkentő hatásokat elnyomnak, így a fontos serkentő információkat kiemelik, azok hatását felerősítik 1 interneuron több száz piramissejtet gátolhat összehangolják (szinkronizálják) nagy számú piramissejt elektromos működését bizonyos szinapszisok megerősödnek memórianyomok jönnek létre (tanulás, memória megvalósul illetve fokozódik)
Az agykéreg szerveződése granuláris agranuláris Minden neokortikális területre jellemző a hatos rétegezettség de a rétegek vastagsága a funkciótól függően eltérő
Az agykéreg moduláris felépítése 200-300 µm átmérőjű, 2.5-3mm magas hengeridomú modulok 5000 sejt/modul 2 millió modul (patkány: 1000, majmok: 1 millió) összesen kb. 100 milliárd kérgi neuron a sejtek főleg a modulon belül, vertikálisan kommunikálnak egy modul kb. 100-200 másikkal tart kapcsolatot az agykérgi sejtek kapcsolatainak akár 99 %-a(!) is agykérgen belüli kapcsolat lehet Modulok bemenete: 1. Más kérgi modulokból (corticocorticalis afferensek) 2. Érzékszervek felől (specifikus afferensek a talamusz felől) Kimenet: 1. Mozgató pályák 2. Más modulok irányába
A kérgi részek közti kapcsolatok Az oszlopokban gátló sejtek is aktiválódnak, ezek gátolják a szomszédos hengerek egyidejű működését
Az orbitofrontális kéreg Az orbitofrontális kéreg funkcionális kapcsolatai Phineas P. Gage 1848-ban baleset érte, egy 6 kg-os vasrúd átment a fején, elpusztítva a bal frontális lebeny jelentős részét a fehérállomány sérülése súlyosabb lehetett, mint a szürkeállományé epilepsziás lett, bal arca megbénult, bal szemére megvakult korábban: kedves, pontos, precíz és figyelmes a baleset után: fegyelmezetlen, trágár, figyelmetlen, agresszív, perverz alak ( Ő már egy másik Gage. ) később: valószínűleg normalizálódott, alkalmazkodóbb lett
Az orbitofrontális kéreg Br. 11,12,13,14 areák az inferior és a ventrális része a prefrontális kéregnek bemenetek: ventrális vizuális pályarendszerből íz, szag és szomato-szenzoros információk lényeges projekciós területe Az orbitofrontális lebeny léziója: a jutalmazott és a nem jutalmazott események megkülönböztetési képessége sérül (nem tanul a viselkedésének pozitív vagy negatív következményeiből) zavar a tevékenység kivitelezését felügyelő, a viselkedést kivitelező, irányító (executive) funkciókban új stratégiára való átváltás lelassul (nem tanul a múltból) tárgyak felidézése zavart, vizuális típusú rövid idejű emlékezetzavar averzív ingerekre gyengébb a védekező reakció, a preferenciák átalakulnak, más sorrendűek lesznek (indokolatlan) eufória, külső ingerekre kevésbé érzékeny, finom érzelmek hiánya nem ismeri fel a partner mimikájának jelentését, jutalmazó/büntető mimikát nem érzékeli kognitív funkciók megtartottak szociális érzéketlenség, gátlástalanság, impulzivitás, irritabilitás, hirtelen haragúság Mit mutat Gage esete? 1) a személyiség egyes jól körülhatárolható elemei agysérülés hatására, más kognitív sérülésektől függetlenül, drámaian megváltoztatják a szociális magatartást 2) a balesetet követően Gage személyisége részben megváltozott, érzéketlen, impulzív lett 3) érzelmi töltéssel járó döntési helyzeteket nem tudott helyesen értékelni 4) a fentebb leírtakhoz elegendő volt féloldali agysérülés is 5) a fehérállomány, a kapcsolatok sérülései legalább olyan fontosak lehettek a funkciók károsodásában, mint a szürkeállomány pusztulása
A hippokampusz szerkezete és funkciói Golgi impregnációval készült metszetek A hippokampusz funkciói tanulás, memória kulcsfontosságú a térbeli tanulásban (lásd: taxisofőrök hippokampusza megnagyobbodik) újraértelmezheti a múltat és elképzelheti a jövőt érzelmek a limbikus rendszer alapvető része hippocampus és fornix csikóhal 3-3,5 cm 3 a térfogata 320-420 cm 3 az agykéregnél (egy oldalon) hippocampus (archicortex, ősi) agykéreg (neocortex, újabb)
A hippokampusz elhelyezkedése, felépítése Ammon, görög mitológiai alak DG: girusz dentatusz CA: ammon szarv CA1, CA2, CA3, CA4 piramis sejtréteg
Hippokampusz anatómia Fimbria: fehérállományköteg a hippokampusz mediális részén Alveus: efferens pályák kötege az oldalkamrák felőli részen Hippokampusz formáció: CA gyrus dentatus entorinális kéreg (fő hippokampusz bemenet) subiculum részei: a) praesubiculum b) parasubiculum c) postsubiculum d) prosubiculum térbeli helyzet meghatározása, fej irányának meghatározása
A hippokampusz szerveződése, sejttípusai piramissejtek (projekciós neuronok) DG: girusz dentatusz - glutamáterg szemcsesejtek főleg, illetve gátló interneuronok - az entorinális kéregből fogad rostokat, a CA3-ba továbbítja az információt CA: ammon szarv - piramissejtek pp: perforans pálya mf: moharostok sc: Schaffer-kollaterálisok alv: alveoláris pálya interneuronok
A hippokampusz kapcsolatai DG: girusz dentatusz CA: ammon szarv pp: perforans pálya entorinális kéregből a girusz dentatuszba, a CA1-be és a CA3-ba mf: moharostok girusz dentatusból a CA3-ba mielenhüvely nélküli rostok sc: Schaffer-kollaterálisok CA3-ból CA1-be menő rostok alv: alveoláris pálya CA1-ből az entorinális kéregbe, de annak más rétegében végződik, mint ahonnan a perforans pálya kiindult Triszinaptikus út: entorinális kéreg girusz dentatusz CA3 CA1 út: A hippocampuson belül az egyirányú kapcsolatok jellemzőek agykéreg: reciprok kapcsolatok
A talamusz szerkezete, kapcsolatai VA: ventrális anterior mag VL: ventrolaterális mag VPL: ventrális poszteroleterális mag VPM: ventrális poszteromediális mag ND: dorzomediális mag CM: centromediális mag relé (átkapcsoló) sejtek glutamát retikuláris sejtek - GABA retikuláris mag (héjszerű szerkezet) Elsőrendű magok (relémagok) érzőpályák átkapcsoló állomásai pl. VPL és VPM a szomatoszenzoros pályáknál pl. corpus geniculatum laterale (CGL) a látásnál Magasabbrendű magok egyik kéregrész V. rétegéből kapnak információt, amit egy másik kéregrész II.-III. rétegébe küldenek pl. pulvinar a látásnál
Talamokortikális és kortikotalamikus kapcsolatok bajusszőrök háromosztató (trigeminusz) ideg érző neuronja trigeminusz mag szomato szenzosro kéreg ventrális poszterior mediális talamusz mag (VPM) barrel (hordó) cortex a primer szomatoszenzoros kéreg egy része minden egyes barrel egy adott bajuszszáltól kap információt a barrel-ek a kérgi oszlopok modelljei a barrel-eket a IV-es réteg festésével lehet láthatóvá tenni plaszticitás: ha a barrel nem kap bemenetet, akkor elsorvad (pl. bajusz levágása), a szomszédok viszont kiterjednek a sorvadó helyére is
Talamokortikális (1X) és kortikotalamikus (10X!) kapcsolatok (RE): a retikuláris mag GABAerg sejtjei (Th-cx): talamokortikális sejtek (serkentő) a relémagban (L-circ): helyi interneuronok (gátló) a relémagban (Aff): afferens (Eff): kérgi efferens (=kortikotalamikus rost) (+): serkentő kapcsolat (-): gátló kapcsolat RE sejtek gátolják egymást, a helyi interneuronok egy csoportját és a talamokortikális sejteket is alsó, gyenge afferentációjú Th-cx-sejt gátlódik, mivel az azt gátló L-circ sejtre nem érkezik gátlás, a felső Th-cx sejt viszont az erőteljes bemeneti információt továbbíthatja a kéreg felé a Th-cx-sejtek axonkollaterálisai serkentik az őket gátló RE-sejteket (visszacsatoló gátlás) kéreg efferens rostjai mindhárom sejtféleségre vetülnek és azokat serkenthetik
A talamokortikális hálózat, aktivitás szomatoszenzoros kéreg caudatus retikuláris mag globus pallidus talamokortikális sejt burst tüzelés átkapcsoló (relé) magok perifériás bemenetek (érzékszervek felől) talamokortikális sejt tónusos tüzelés A talamokrotikális sejtek és a retikuláris sejtek működésmódjai: Tónusos: talamokrotikális sejtek depolarizáltak (érzékszervek bemenetei és felszálló aktiváló pályák aktívak), egyenletesen tüzelnek ébrenlét és REMalvás, az agykéreg aktiválódik Oszcilláló: a talamokortikális sejtek hiperpolarizáltak (érzékszervek bemenetei megszűnnek és felszálló aktiváló pályák inaktívak) kisüléscsomagok (burst-ök) lassú hullámú alvás az agykéregben átmenet alvásból ébrenlétbe
A bazális ganglionok striatális terület Funkció: mozgásszabályozás: automatikus mozgások motivációs-emóciós mozgások izomtónus szabályozása GABA-erg projekciós neuronok, kevés kolinerg interneuron Striatum: nucleus caudatus + nucleus putamen
A bazális ganglionok szerkezete, kapcsolatai agykérgi sejtek striatális sejtek
A bazális ganglionok aktivitása Bemenet: a striatumba, az egész agykéregből Kimenet: 1) közvetlen: globus pallidus belső része és substantia nigra talamusz (aktiválódik) agykéreg 2) közvetett: globus pallidus külső része szubtalamikus mag globus pallidus belső része és substantia nigra talamusz (gátlódik!) agykéreg A kimenet már meghatározott agykérgi részbe megy vissza (pl. frontális, mozgató kéregbe) kéreg-kéreg hurokpályák agykérgi közvetlen pálya striatum agykérgi közvetett pálya globus pallidus agykéreg talamusz szubtalamikus mag substantia nigra
A kisagykéreg jellegzetes sejtjei motoros koordináció motoros tanulás Golgi-impregnációval készült metszetek
A kisagy felépítése Nissl festés (kiagyi lebenyek) középagy kisagykar fluoreszcens festés mély kisagyi magvak A kisagykéreg szerkezete: vermis - középső rész kisagyi lebenyek kisagy kéreg (cerebrocerebellum) - foliák (redők) figyelhetők meg rajtuk
A kisagykéreg szerkezete, kapcsolatok Rétegei: 1) molekuláris réteg 2) ganglionáris réteg 3) szemcsés réteg Sejttipusok: Purkinje-sejtek GABA-erg efferens a mély kisagyi magvakhoz szemcsesejtek serkentők axonjuk a parallel rostot adja kosársejtek o GABA-erg gátló sejtek Golgi-sejtek a szemcsesejteket gátolják csillagsejtek a Purkinje sejteket gátolják Bemenetei: a) climbing fibers (kúszórostok) nyúltvelői alsó olivamagból b) mossy fibers (moharostok) agytörzsi magvakból gerincvelőből (spinocerebellaris pályák)
A kisagy bemenő és kimenő kapcsolatai agykéreg-hídi pálya (kortiko-pontin rostok) thalamuszhoz és vörös maghoz futó pályák felső kisagynyél híd hídi eredetű moharostok egyensúlyszervi magokhoz kisagy kimenő kisagyi pályák a mély magvakból középső kisagynyél alsó kisagynyél híd- kúszórostok az olivából gerincvelő-kisagyi pálya (spinocerebelláris rostok, moharostok) A kisagykéreg kimenetei kizárólag a gátló Purkinje-sejtekből származnak és a mély kisagyi magvakhoz futnak
Sejtszintű integráció következménye