Bevezetés a központi idegrendszer élettanába Dr Berényi Antal Szegedi Tudományegyetem Élettani Intézet 2019. Április 1. 1 Témák I. rész: Az idegtudomány keretrendszere II. rész: Idegsejthálózatok kapcsolatrendszere III. rész: Kommunikáció az idegsejthálózatokban IV. rész: Klinikai vonatkozások 2 1
Az idegtudomány területei 3 http://mcin.colostate.edu/research.html Az alapvető kérdések 4 http://www.imperial.ac.uk/neurotechnology/about/ 2
Az alapvető kérdések Mi a tudat / öntudat? Mely fajok rendelkeznek tudattal? Mitől tudatos egy agy/egyed? Mennyire stabil a tudat? Egy összetett rendszer megjelenő tulajdonsága (Emergent property of an extremely complex system) Struktúra ÉS működés! 5 A tudat megtestesülése Internalizáció Tudat / Öntudat Élőlény Inger Bemenet (Érzékszervek) Észlelet (percept) Interpretációs keretrendszer Akarat/szándék (will) Tett Kimenet (Motor rendszerek) Memória (Korábbi tapasztalatok) 6 3
A systems neuroscience területei Szenzoros rendszerek (Látás, hallás, ízérzékelés, szaglás) Motoros rendszerek (skeletomotor, beszéd, visceromotor) Érzelmek idegtudománya Vegetatív idegrendszer Memoria és térbeli tájékozódás Tudat és alvás 7 8 4
Diffusion MRI 9 http://www.humanconnectome.org http://www.informatik.uni leipzig.de 10 5
x 11 Xiao et al. Neur. Reg. Res., 2015 12 www.healthcare.siemens.com 6
Retikuláris teória Camillo Golgi 13 Santiago Ramón y Cajal 14 7
15 Neuron doktrina (Cajal vs Golgi 1906) 16 8
Immunhisztokémia N terminal EF hand calcium binding protein 1. 17 Immunhisztokémia 18 9
Brainbow 19 Weissman et al, Nature, 2007 20 wired.co.uk 10
21 wired.co.uk Hogyan jelölhetőek az idegpályák? 22 11
23 24 Ohara et al, Front Neurosci, 2009 12
Intakt agyszövet leképezése: Clarity 25 Mi az a connectome? 26 13
27 Connectomics 28 14
Hálózattudomány (Network science) 29 30 15
31 32 http://www.submarinecablemap.com/ 16
33 34 17
Redundancia 35 Melyik az optimális arhitektúra? 36 18
Small world networks (kisvilág hálózatok) Skálafüggetlen hálózatok Szabályos Small world Véletlenszerű hálózat network hálózat Véletlenszerűség Gazdaságtalan Gazdaságos Gazdaságtalan L (távolság) log N 37 Small world networks (kisvilág hálózatok) Skálafüggetlen hálózatok Hat lépés távolság (1929 Karinthy Frigyes) A nehezebb feladatot: egy szögecselő munkást a Ford művek műhelyéből, ezek után magam vállaltam, és négy láncszemmel szerencsésen meg is oldottam. A munkás ismeri műhelyfőnökét, műhelyfőnöke magát Fordot, Ford jóban van a Hearst lapok vezérigazgatójával, a Hearst lapok vezérigazgatójával tavaly alaposan összeismerkedett Pásztor Árpád úr, aki nekem nemcsak ismerősöm, de tudtommal kitűnő barátom csak egy szavamba kerül, hogy sürgönyözzön a vezérigazgatónak, hogy szóljon Fordnak, hogy Ford szóljon a műhelyfőnöknek, hogy az a szögecselő munkás sürgősen szögecseljen nekem össze egy autót, éppen szükségem lenne rá. Karinthy: Láncszemek Milgram kísérlet Microsoft Facebook Erdős szám (Erdős Pál): 38 19
Kis világok az agyban 39 Kis világok az agyban 40 Chan et al, 2014, PNAS 20
III. rész: Hogyan kommunikálnak egymással ezek az alhálózatok? 41 Többféle idegsejt típus létezik 42 21
Szentágothai János Kérgi kolumna 43 A hippocampusz interneuronjai Klausberger and Somogyi, Science, 2008 44 22
Kémiai szinapszis Idegsejtek interakciói Serkentés Gátlás Neuromoduláció Elektromos szinapszis Ephaptikus kapcsolás 45 Kémiai szinapszis Szimmetrikus és aszimmetrikus szinapszis 46 23
A gátló interneuronok szerepe 47 Feed forward és feed back inhibíció 48 24
A: Axo somatic B: Axo axonic A szinapszisok helye Pre synaptic inhibition C: Axo dendritic D: Dendro somatic E: Dendro dendritic Retina, olfactory bulb 49 A dendriteken nagyszámú tüskének (spine) nevezett kinövés található 50 25
A dendrittüskék önálló microcomputerek Tønnesen et al, Front Psych, 2016 51 Szinaptikus plaszticitás a tanulás alapjai LTP: Long term potentiation LTD: Long term depression Synaptogenesis 52 26
LTP/LTD/synaptogenesis 53 A dendritek is képesek AP generálásra (főként antidrómikus) 54 Casale and McCormick, J Neurosci, 2011 27
Tripartit szinapszis (neuroglia) 55 56 De Pittá et al, Front. Comput. Neurosci, 2012 28
Az asztrociták Ca hullámok segítségével (is) kommunikálnak egymással 57 Elektromos szinapszis 58 29
Sejtfelbontású connectome? Túl sűrű a térképezéshez 59 Csak interneuronok 60 30
Automatizált szövettan Jeff Lichtmann (Harvard) Napi 1000 szelet; 30 nm vastagság 61 62 31
63 100 TB adat 64 32
Ephaptikus kapcsolás 65 Mezőpotenciálok (LFP): Az idegsejtaktivitás hatása az extracelluláris térre 66 33
Ephaptikus kapcsolás a populációs aktivitás és az egyes idegsejtek között 67 IV. rész: Klinikai vonatkozások 68 34
Hogyan tudjuk a szinkronitás fokát mérni? 69 Az agyi aktivitás mérésének neminvazív lehetőségei 70 35
Electroencephalográfia (EEG / ECoG) 71 72 36
Mezőpotenciálok és akciós potenciálok 73 74 http://clinicalgate.com 37
Oszcillációk 75 Az oszcillációk eredete Headley and Paré, Sci Learn, 2017 76 38
Az oszcillációk eredete Headley and Paré, Sci Learn, 2017 77 Az oszcillációk eredete Headley and Paré, Sci Learn, 2017 78 39
Kommunikáció az oszcillációkon keresztül 79 Oszcillopátiák Epilepszia Depresszió ADHD Szorongás OCD Alzheimer kór 80 40