5. poglavje:TVORBA in PREVAJANJE AP

AP je hitra sprememba membranskega potenciala (MP), kateri sledi povratek MP na vrednost mirovnega membr. potenciala (MMP) in je osnova prenašanja signala po živčnih celicah.

Osnova AP so od napetosti odvisni ionski kanalčki v plazemski membrani. AP se skozi celoten akson prevaja z isto obliko in dolžino; začne se na začetnem delu aksona.

o Mirovalni membranski potencial: razlika v električni napetosti čez membrano živčne (mišične) celice, kadar ni vzdražena

o Elektrokemični gradient: stanje ionov zaradi razlike v koncentraciji in električnem naboju čez membrano

o Nernstov potencial : električna napetost čez membrano, ki bi se vzpostavila, če bi bil nek ion v elektrokemičnem ravnotežju

o Receptorski potencial: lokalizirana sprememba membranskega potenciala receptorja zaradi dražljaja

o Postsinaptični potenciali: lokalizirana sprememba membranskega potenciala postsinaptičnega nevrona zaradi delovanja nevrotransmitorja

o Elektrotonično prevajanje: pasivno širjenje spremembe membranskega potenciala po membrani

o Akcijski potencial: hitra sprememba membranskega potenciala zaradi aktivacije napetostno odvisnih kanalov za Na+, ki se hitro prevaja brez upada amplitude vzdolž vlakna

o Saltatorno prevajanje: prevajanje akcijskega potenciala skokovito po mieliziranem živčnem vlaknu tako, da sproženje akcijskega potenciala na Ranvierjevem zažetku (nodusu) aktivira kanale za Na+ na sosednjem zažetku in tako preskoči mieliziran internodus

o Elektromiografija: snemanje električne aktivnosti mišiceo Nadzorni sistem: sklop elementov (senzor, komparator, komandni center), ki omogoča

nadzor stanja regulirane količine v nadzorovanem sistemuo Obdelava informacij: procesi pretvorbe, primerjave, kategorizacije, integracije, abstrakcije

informacij, kodiranih v ustrezen »notranji« jezik živčnega sistemao Feed -back: povratna informacija (v nadzorni center) o stanju regulirane količineo Feed -forward: informacija o predvideni spremembi nadzirane količine

MEMBRANSKI POTENCIALI

Pasiven odgovor

MMP= -70 mV

DEPOLARIZACIJA: sprememba MP iz npr. -70 mV na -60 mV → celica postane bolj pozitivna (zmanjša se razlika potencialov čez membrano).

HIPERPOLARIZACIJA: sprememba MP iz -70 mV na -80 mV.

Oblika odgovora membrane na impulz z majhno amplitudo ima počasnejši dvig in padec. Pri hiperpolarizirajočih in z majhno amplitudo depolarizirajočih impulzih je odgovor v membranski napetosti eksponenten – stimulus ne povzroči spremembe v prepustnosti in kapaciteti membrane,

zato čas, ki je potreben za padec in dvig, odraža čas, ki je potreben za polnjene oz. praznjenje kapacitete membrane. Ker pride do prebitka negativnih ionov v aksonu v primerjavi z zunanjostjo, ti privlačijo pozitivne ione, ki se nahajajo zunaj membrane. Te naboje drug od drugega ločuje membrana – pasivno območje.

Ko gre skozi membrano impulz, ki sproži samo pasiven odgovor, je sprememba potenciala odvisna od razdalje med merilno elektrodo od točke, skozi katero je vstopil impulz oz. električni tok. Manjša kot je ta razdalja, večja ter bolj strma bo sprememba potenciala. Velikost spremembe potenciala se eksponentno zmanjšuje z večanjem te razdalje – sprememba potenciala odraža pasivno ali elektrotonično prevajanje. Te spremembe se ne širijo zelo daleč in hitro postanejo nepomembne, pomembne pa so pri dogodkih na dendritih in telesu živčne celice. Razdalja, pri kateri se sprememba potenciala zmanjša na 1/e (37%), se im. dolžinska konstanta (pri sesalcih je 1-3 mm).

Električne lastnosti aksonov lahko opišemo preko teorije kablov: živčno vlakno si lahko predstavljamo kot votel valj, napolnjen z električno prevodno aksoplazmo in potopljen v nekoliko bolj prevodno medceličnino. Plašč valja predstavlja celična membrana z veliko slabšo prevodnostjo kot aksoplazma. Amplituda spremembe el. napetosti v tem sistemu eksponentno pada z razdaljo:

U ( x )=U 0 e(− x

λ)

U(x)=amplituda napetosti čez membrano v dol. razdalji xU0=začetna amplituda

λ= dolžinska konstanta λ=√ Rm

R1

Odvisna je od razmerja membranske (Rm) in vzdolžne upornosti (R1).

Višja λ → manjša je izguba toka skozi plazemsko membr. na enoto dolžine aksona → akson lahko boljše funkcionira kot kabel → večja je razdalja prenosa signala.

Večji premer aksona → zmanjšanje Rm in R1.

Rm je obratno-sorazmeren premeru, R1 pa se spreminja obratno-sorazmerno s kvadratom premera. Tako se z zmanjšanjem premera aksona R1 zmanjšuje hitreje kot Rm - λ se zmanjšuje.

Lokalen (podpražen)odziv

Če na majhen del membr. aksona deluje večji depolarizirajoči impulz, pride do spremembe MP, kar povzroči odprtje napetostno odvisnih Na+ kanalčkov. Spremeni se prepustnost membr. in posledično pride do vstopa Na+ ionov v celico – zaradi elektrokemičnega gradienta. Vstop pozitivnega naboja še poveča depolarizacijo, ki jo je sprožil začetni impulz. To im. lokalen ali podpražen odziv (ne potuje naprej po aksonu, se ne samoobnavlja, amplituda se zmanjšuje z razdaljo).

NADPRAŽEN ODZIV – AKCIJSKI POTENCIAL

Pri večjih lokalnih odzivih zaradi AP pride do dosega napetosti praga, ki jo lahko definiramo kot membr. napetost, pri kateri je 50% možnost za nastanek AP.

Značilnosti AP:

Močan odgovor celice na impulz – prekoračitev polarnosti membr. potenciala (notranjost celice postane pozitivna).

Prenaša se po celotni dolžini aksona. Med prevajanjem obdrži svojo obliko in velikost. Ko pride do delovanja še večjega stimulusa od tistega, ki je dosegel napetost praga, AP

ostane enak – se ne poveča z delovanjem večjega stimulusa. Ker je AP neke celice vedno enak, pravimo da gre za odgovor vse ali nič – če je dražljaj pod

pragom, se AP ne pojavi, ko pa doseže prag, se sproži AP.

Ko pride do dosega napetosti praga (NP), depolarizacija postane ''eksplozivna'' – v celoti depolarizira membr., pride pa tudi do prekoračitve, pri kateri MP postane pozitiven (iz -70 mV). Vrh AP je pri +50 mV. MP se nato s skoraj enako hitrostjo, kot se je depolariziral, vrne na vrednost MMP – repolarizacija. Po repolarizaciji pride do variabilne hiperpolarizacije (afterhyperpolarization).

Ionske osnove

AP je rezultat uspešnih, hitrih in prehodnih sprememb v prevodnosti membr. za Na+ in K+ ione. Ioni Na+ in K+ v celici niso v elektrokemičnem ravnotežju. Tako Na+ kot K+ skušata vzpostaviti ravnotežje, toda hkrati ga drug drugemu sproti podirata, pri čemer je K+

bližje svojemu ravnotežju zaradi večje prepustnosti membr. za K+.

Hitro povečanje prevodnosti gNa in toka INa v začetni fazi AP povzroči premik MP k ravnotežju za Na+ (+65 mV). Vrh AP ne doseže +65 mV, ker se Na+ kanalčki hitro inaktivirajo (zaradi tega se zmanjšata gNa in INa) in zaradi počasnega naraščanja gK in IK.

Povečanje prevodnosti za K+ in zmanjšanje prevodnosti za Na+ je vzrok hitrega vračanja MP na MMP. Zaradi tega se MP premika proti EK.

Med hiperpolarizacijo je MP bolj negativen kot MMP - gNa se vrne na izhodiščno raven, gK ostane povišana. MMP je bližje ravnotežju za K+ (-100 mV) in membrana ostane hiperpolarizirana dokler je prevodnost za kalij povečana.

Pri nastanku akcijskega potenciala razlikujemo 4 faze:

1. Začetna faza: Membrana se čedalje bolj depolarizira (membranski potencial postaja manj negativen) in ko depolarizacija doseže pražno vrednost, ki je okoli -50 mV, se sproži akcijski potencial. Dražljaj, ki povzroči depolarizacijo, je lahko motnja potenciala, ki se širi po membrani ali pa odpiranje natrijevih kanalčkov v kemični sinapsi.

2. Faza hitre depolarizacije: Ko se doseže pražna vrednost, se membrana hipoma nadalje depolarizira in membranski potencial postane celo pozitiven. Med hitro depolarizacijo se odpro natrijevi kanalčki in vdor natrijevih ionov povzroči strmo naraščanje potenciala proti pozitivni vrednosti.

3. Faza repolarizacije: Kmalu po strmi depolarizaciji se membranski potencial začne vračati proti prvotni vrednosti. Natrijevi kanalčki se namreč v tej fazi zapirajo, kalijevi kanalčki, ki so se začeli odpirati kasneje, pa so v tej fazi v odprti. Izplavljanje kalijevih ionov povzroči vnovično padanje membranskega potenciala proti začetni negativni vrednosti.

4. Faza hiperpolarizacije: Preden se membranski potencial dokončno ustali na začetni vrednosti mirovnega membranskega potenciala, je za nekaj časa celo bolj negativen kot na začetku. V tej fazi so vsi natrijevi kanalčki že zaprti, določen delež kalijevih pa je še vedno odprtih - iztok kalijevih ionov povzroči nadaljnjo padanje potenciala. Šele ko se zaprejo tudi vsi kalijevi kanalčki, se membranski potencial ustali pri vrednosti mirovnega membranskega potenciala.

Ionski kanalčki

NAPETOSTNO ODVISNI Na+ KANALČEK:

α podenota: 4 motivi šestih transmembranskih heliksov, ki obkrožajo centralni kanal

β1 in β2 podenoti

NAPETOSTNO ODVISNI K+ KANALČEK:

večinoma so zgrajeni iz enega od šestih motivov heliksa (5. ali 6. motiv) in vmesne ''porne'' zanke

Kanalčki so odvisni od spremembe napetosti – zaznajo potencial čez membrano in se ali zaprejo ali odprejo glede na MP.

Tvorijo jih skupine AK ostankov.

Ionski kanalčki spontano oscilirajo med odprtim in zaprtim stanjem.

AP se začne s hitrim dvigom prepustnosti za Na+, kot odgovor na depolarizacijo pa se odprejo tisoči Na+ kanalčki, ki omogočijo vstop Na+ ionov v celico – poteče še nadaljnja depolarizacija membrane.

Pozitivna povratna zanka: tok Na+ depolarizira membrano → to povzroči odprtje natrijevih kanalčkov→ ti izmenično zmanjšujejo tok Na+.

Na+ kanalčki imajo tudi inaktivacijska vrata, ki poleg aktivacijskih vrat omogočijo, da depolarizacija povzroči začasno povečanje prepustnosti za natrijeve ione. Ko se konča začasno povečana prepustnost za Na+, prepustnost za K+ ione omogoči repolarizacijo membrane, k kateri prav tako pripomorejo od napetosti odvisni K+ kanalčki. Ti imajo samo ena vrata, ki se odprejo z depolarizacijo; posledično se poveča gK in omogočen je tok K+. Ta v nasprotju s tokom Na+ povzroči repolarizacijo. Ker se K+ kanalčki ne zaprejo takoj po repolarizaciji, je splošna prevodnost membrane za K+ višja ob koncu AP, kot je bila pred samim začetkom. To pomeni, da je MP bližje Nernstovem potencialu za K+ in je podlaga za hiperpolarizacijo, ki sledi repolarizaciji. MP se vrne na vrednost MMP ob zaprtju napetostno odvisnih K+ kanalčkov (negativna napetost).

Napetostna inaktivacija

Eksplozivna depolarizacija AP se lahko zgodi samo, ko se odpre zadostno št. Na+ kanalčkov. Kot odgovor na depolarizacijo se sprva poveča gNa (zaradi odprtja aktivacijskih Na+ kanalčkov), čez nekaj časa, pa se zopet zmanjša (zaradi zaprtja inaktivacijskih vrat). Inaktivacijska vrata Na+ kanalčkov imajo počasnejši odziv na transmembransko napetost in ko so enkrat zaprta, se ne morejo odpreti, dokler ni membr. znova repolarizirana. Če je celica le delno depolarizirana, se zmanjša ''bazen'' neaktiviranih Na+ kanalčkov in posledično stimulus ne more vzburiti zadovoljivo št. Na+ kanalčkov, ki bi lahko tvorili AP (to je lahko rezultat napetostne inaktivacije nekaterih Na+ kanalčkov).

Ko je živec depolariziran počasi, je lahko napetostni prag presežen tudi brez AP – to im. akomodacija. Pri njej sodelujejo Na+ in K+ kanalčki: ob dovolj počasni depolarizaciji se lahko zgodi, da zaradi napetostne inaktivacije, nikoli ni doseženo kritično št. Na+ kanalčkov, ki bi sprožili AP. Prav tako se K+ kanalčki odpirajo počasi in povečana prepustnost za K+ lahko nasprotuje depolarizaciji membrane ter posledično še dodatno zmanjša možnost nastanka AP.

Neodzivna ali refraktarna doba

Neodzivna ali refraktarna doba je čas po sprožitvi akcijskega potenciala, ko nov dražljaj ne more sprožiti novega akcijskega potenciala ali pa je potreben dražljaj večje jakosti. Do sredine faze repolarizacije (okoli 0,5 ms) se naslednji akcijski potencial ne sproži ne glede na jakost novega dražljaja - ta čas se imenuje absolutna refraktarna doba. Nato sledi perioda, ki traja do konca repolarizacije (okoli 3,5 ms), ko je za sprožitev novega akcijskega potenciala potreben dražljaj večje jakosti. To periodo imenujemo relativna refraktarna doba.

Refraktarna doba je posledica inaktiviranosti natrijevih kanalčkov; po odprtju natrijevega kanalčka in ponovnem zaprtju je le-ta nekaj časa nezmožen ponovnega odprtja. V času absolutne neodzivne dobe je inaktiviranih preveč kanalčkov, da bi lahko nov dražljaj odprl kritično število kanalčkov, da bi se membrana depolarizirala do pražne vrednosti. Med relativno refraktarno dobo je sicer dovolj natrijevih kanalčkov zopet aktivnih, vendar so nekateri še vedno inaktivirani - zato je potreben močnejši dražljaj, da se odpre zadostno število kanalčkov.

Med relativno refraktarno dobo je povečana prevodnost za K+, ki nasprotuje depolarizaciji membrane in s tem pripomore k podaljšanju refraktarne dobe (zaradi relativno počasnega odgovora K+ kanalčkov).

PREVAJANJE AKCIJSKIH POTENCIALOV

Osnovna aktivnost nevronov je prenos živčnih impulzov v obliki AP. Aksoni motoričnih nevronov, ki se nahajajo v ventralnem rogu hrbtenjače, prevajajo AP iz telesa nevronov do vlaken skeletnih mišic.

AP kot samoojačevalni signal

Prevajanje s pojemanjem ne prenese signala iz enega na drugi konec aksona, razen če je ta akson zelo kratek (zato je pomembno samoojačevanje AP). Prevajanje vključuje nastajanje ''novih'' AP po celotni dolžini aksona.

Širjenje AP vključuje ponavljajoče se depolarizacije, katere zagotovijo zadosten lokalni impulz za tvorbo ''novega'' AP v ostalih delih celične membrane. Če AP nastane na sredini aksona, se prevaja v obe smeri od mesta nastanka, v CŽS pa se AP tvori na začetnem delu aksona (velika gostota napetostno odvisnih Na+ kanalčkov – najnižja napetost praga v celici) in se prevaja na terminalni konec. Prav tako pa je za enosmerno prevajanje AP odgovorna tudi refraktarna doba – ker se AP začne na začetnem delu aksona, noben AP v sredini aksona ne more sprožiti nastanka novega AP, ki bi šel v smeri proti telesu celice, saj so vsi začetni deli v refraktarni dobi.

Ker je oblika in velikost AP relativno konstantna, lahko kot ''koda'' za prevajanje informacij vzdolž aksona služi samo frekvenca AP. Maksimalna frekvenca je omejena s trajanjem absolutne in relativne refraktarne dobe ter redko preseže 1000 AP v živcu sesalca. Posamezen akson ne more posredovati ustrezno kodirane informacije o dogodkih, ki se zgodijo pogosteje (z večjo frekvenco) od njegove tvorbe AP.

Vpliv premera vlakna na hitrost prevajanja

V nemieliniziranih vlaknih je hitrost prevajanja sorazmerna kvadratnemu korenu premera. Ko se premer vlakna povečuje, se Ri zmanjšuje s kvadratom premera, Rm pa se linearno povečuje s premerom →dolžinska konstanta se poveča. AP se prevaja hitreje po vlaknih z večjim premerom.

Povečanje premera pa prav tako poveča površino plazemske membr. → poveča se kapaciteta, ki upočasni prevajanje in ublaži povečanje hitrosti prevajanja, ki je bila pridobljena s povečanjem premera.

Mielinizacija

Hitrost prevajanja v nevronu je odvisna od električnih lastnosti citoplazme in plazemske membr., ki obdaja vlakno ter od njene geometrije. Mielin tvorijo plazemske membrane Schwannovih celic (v perifernem živčevju) oz. oligodendroglia (v CŽS), ki se ovijajo okoli vlakna in ga izolirajo. Mielinsko ovojnico tvori več kot 100 slojev plazemske membrane celic. Na 1-2 mm se pojavijo Ranvierjevi zažemki, ki so široki ok. 1µm. Mielinizirani aksoni imajo večjo hitrost prevajanja kot nemielizirani, ker mielin zmanjšuje dolžinsko konstanto, prav tako pa se prevajanje omeji samo na Ranvierjeve zažemke (tu se tvori AP).

Mielinska ovojnica poveča učinkovitost membranske odpornosti, kar pomeni, da je izguba signala manjša, prav tako pa se z razdaljo po aksonu amplituda signala manj zmanjšuje.

Z večanjem debeline mielinske ovojnice se veča razdalja med notranjostjo ter zunanjostjo aksona in zmanjšuje medsebojen vpliv nabojev. Mielinizirani aksoni imajo zmanjšano kapaciteto, kar rezultira v hitrejši depolarizaciji.

Na+ kanalčki so skoncentrirani v Ranvierjevih zažemkih – AP se torej tvori samo tukaj, namesto da bi se tvoril po celotnem vlaknu. AP ''skače'' od enega zažemka do drugega – saltatorično prevajanje.

Hitrost prevajanja po nemieliniziranem vlaknu = 2 m/s

Hitrost prevajanja po mieliniziranem vlaknu = 50 m/s → refleksi!

AP mieliniziranih vlaken nimajo hiperpolarizirajočih potencialov in podaljšane refraktarne dobe, ker v Ranverijevih zažemkih ni K+ kanalčkov. Prav tako so mielinizirani aksoni metabolično efektivnejši, saj porabljajo manj energije – Na+/K+ ATP-aza črpa Na+ iz in K+ v celico, za kar je potreben ATP; pri teh vlaknih pa se prevajanje omeji le na zažemke in je potrebno manj črpanja ionov za uravnavanje gradienta.

SENZORIČNA TRANSDUKCIJA in KODIRANJE

Živčni sistem mora biti stimuliran z energijo in ta se mora prevesti v živčni dogodek – AP. Parametri energije (jakost, trajanje) se prevedejo v vzorce AP, ki se nato prevajajo po aksonu.

STIMULACIJA: delovanje energije iz okolice na senzorične receptorje, ki se posledično aktivirajo. STIMULUS: dogodek iz okolice, ki vzburi senzorične receptorje, ti pa nato prenesejo informacijo do CŽS. Lahko je mehanični, termični, kemični…Odgovori na stimulus se lahko prepoznajo na večih ravneh, in sicer kot:

receptorski potenciali v senzoričnih receptorjih prevajanje AP po aksonu v senzoričnih poteh sinaptični dogodki v centralnih živčnih mrežah motorična aktivnost, ki jo je sprožila senzorična stimulacija

Proces, ki senzoričnemu receptorju omogoči uspešen odgovor na stimulus, im. senzorična transdukcija (pretvarjanje). Tip transdukcije temelji na senzoričnem aparatu, ki služi kot pretvornik.

KEMORECEPTOR:

okus, voh odgovor ob vezavi kemičnega stimulansa na receptorske molekule (proteini, vključeni v

membrane celic) v plazemski membrani senzoričnega receptorja Vezava stimulansa povzroči odprtje ionskega kanalčka, ki omogoči prehod toka ionov – pride

do depolarizacije senzorične receptorske celice.

MEHANORECEPTOR: Odpre se ob delovanju mehanične sile na membrano (membrana se raztegne); omogočen je

prehod toka ionov – depolarizacija.

FOTORECEPTOR: reagira ob svetlobi V temi je odprt, kadar pa pigment v membrani diska absorbira foton, se fotoreceptor zapre

(svetloba). Tok ionov teče v temi, pri svetlobi pa preneha teči – fotoreceptor se hiperpolarizira.

Senzorična transdukcija povzroči nastanek receptorskega potenciala (RP)v primarnem aferentnem nevronu. RP je večinoma depolarizirajoči dogodek, ki rezultira v toku ionov - MP senzoričnega receptorja se približa napetosti praga, ki je potrebna za nastanek AP. Ta nato potuje po primarnem aferentnem nevronu do CŽS, kjer signalizira senzorično informacijo.

Stimulus praga je najšibkejši stimulus, ki ga lahko zaznamo (tvoriti mora dovolj velike receptorske potenciale, ki bodo aktivirali enega ali več primarnih aferentnih vlaken). Šibkejše stimulacije lahko sprožijo podpražne RP, ki ne vzdražijo senz. receptorje (ne zaznamo odziva). Število primarnih af. nevronov, ki morajo biti vzdraženi za senzoričen odziv, je odvisno od prostorskega in časovnega seštevka v poti.

Adaptacija je sprememba v odgovoru receptorja pri podaljšani stimulaciji – karakteristična značilnost senzoričnih receptorjev (omogoči jim boljše signaliziranje specifičnih senzoričnih informacij). Funkcionalna posledica: receptorji z različnimi časi adaptacije lahko signalizirajo stimulus v različnih časih.

Receptivna polja

Receptivno polje senzoričnega nevrona je regija, ki ob stimulaciji spremeni obnašanje nevrona - npr. senzorični receptor je lahko aktiviran z draženjem majhnega predela kože. Ta predel im. ekscitatorno receptivno polje. Nevron v CŽS je lahko večkrat vzdražen s stimulacijo receptivnega polja, ker lahko sprejema informacije iz št. senz. receptorjev (vsak ima nekoliko različno receptivno polje). Receptivno polje tega nevrona je vsota vseh receptivnih polj,ki vplivajo nanj. Lokacija polja je določena z lokacijo senzoričnega transdukcijskega aparata, ki je odgovoren za signaliziranje informacije o dražljaju.

Na splošno so receptivna polja senzoričnih receptorjev ekscitatorna, v centralnem senz. nevronu pa so lahko ali ekscitatorna ali inhibitatorna oz. imajo področja, kjer recept. polje vsebuje območja, ki ga vzdražijo in inhibirajo.

Senzorično kodiranje

Senzorični nevroni v procesu senzorične transdukcije kodirajo stimulus v obliki, ki jo bo CŽS lahko interpretiral. Kodirana informacija je daje informacije o tem:

kateri senzorični receptorji so aktivirani, odgovoru senz. receptorjev na stimulus, procesiranju informacije v senzorični poti.

Kodiranje stimulusa vsebuje: obilko senzorične entitete (voh, dotik, vid), prostorsko lokacijo, prag, intenzivnost, frekvenco, trajanje.

Oblika senzorične entitete (senzorična modalnost) je identifikacija razreda občutenja, npr. mehaničen stimulus na koži rezultira v občutenju dotika ali pritiska (poleg tega na koži občutimo še toploto, mraz in bolečino). Vid, sluh, okus, voh in položaj pa se primeri ''nekožnih'' senzoričnih modalnosti.

Kodiranje senz. modalnosti v večini senzoričnih sistemih poteka po senzoričnih poteh in izhaja iz specifičnih senz. receptorjev na začetku poti (npr. vidna pot vključuje fotoreceptorje, nevrone mrežnice, nucl. geniculatum lat. v talamusu in vidne predele v možganski skorji).

Prostorska lokacija stimulusa je signalizirana z aktivacijo določenega dela senz. nevrona, katerega receptivna polja so bila vzdražena s stimulusom. Informacija se lahko kodira v CŽS s pomočjo živčnih kart:

Somatotopična karta: tvorijo jo nizi nevronov v somatosenzorični skorji, ki prejemajo informacije od odgovarjajočih lokacij iz površine telesa.

Retinotopična karta: tvorijo jo nizi nevronov v retini. Tonotopična karta: zastopa jo frekvenca zvokov v slušnem sistemu.

Intenzivnost stimulusa: nekateri senzorični nevroni kodirajo intenzivnost AP glede na njihovo frekvenco. Razmerje med intenzivnostjo in odzivom lahko opišemo kot funkcijo stimulus-odziv. Za večino senz. nevronov ima ta funkcija eksponentno obliko – eksponent je manjši, enak ali večji od 1. Funkcija z racionalnimi eksponenti je značilna za mehanoreceptorje. Termoreceptorji, ki zaznavajo spremembo temperature, imajo linearno funkcijo (eksponent=1). Nocireceptorji – zaznavajo bolečino, imajo linearno ali pozitivno pospešujočo funkcijo (eksponent= 1 ali več).

Drug način kodiranja intenzivnosti je kodiranje po št. aktiviranih senz. receptorjev. Majhen stimulus lahko aktivira enega ali le nekaj primarnih af. nevronov, medtem ko lahko močan stimulus istega tipa vzdraži večje št. podobnih receptorjev. Centralni nevroni, ki so sprejeli dražljaj iz teh senz. receptorjev bodo močneje aktivirani, kot tisti, ki sprejeli dražljaj iz primarnih af. nevronov.

Dražljaji različnih intenzivnosti lahko aktivirajo različne komplete senz. receptorjev, npr. šibek mehaničen dražljaj aktivira samo mehanoreceptorje, medtem ko lahko močan dražljaj aktivira tudi nocireceptorje.

Frekvenca stimulusa je lahko kodirana z AP – intervali med vrhi točno odgovarjajo intervalom med stimulusi, ali pa preko pretvorbe informacije v strukturirane vzorce živčnih impulzov (povečanje v intenzivnosti stimulusa v št. senz. sistemih povzroči večjo frekvenco vzburjanja nevronov). Ostale kode temeljijo na času sprožitve, časovnem vzorcu…

Trajanje stimulusa je lahko kodirano v počasno-adaptirajočih senz. nevronih glede na trajanje okrepljenega draženja. Začetek in konec stimulusa je signaliziran s prehodno spremembo hitro-adaptirajočih senz. receptorjev.

Kortikalna organizacija:

Številne značilnosti primarnega slušnega korteksa so podobne tistim iz drugih primarnih senzoričnih področij. Ne samo da so prisotne senzorične mape v tem primeru tonotopične, ampak ta kortikalna regija uporablja model predvidevanja.

Nevroni v primarnem slušnem korteksu oblikujejo izofrekvenčne stolpiče, v katerih imajo nevroni v vsakem stolpiču enako karakteristično frekvenco. Nevroni pa tvorijo tudi izmenične stolpiče (alternating) poznane kot »summation« in »suppression« stolpiče. Nevroni v »summation« stolpičih so bolj dovzetni za binauralne kot monauralne dražljaje. Nevroni v »suppresion« stolpcih so manj dovzetni za binauralne kot monauralne stimuluse in zato je odziv v enemu ušesu dominanten.

Bilateralne poškodbe slušnega korteksa vplivajo na sposobnost razlikovanja frekvence ali intenzivnosti različnih zvokov in zmanjšajo zmožnost lokalizacije zvoka ter razumevanje govora. Unilateralne poškodbe imajo manjši učinek še posebej, če je vključena nedominantna hemisfera (za govor). Se pravi, da je razločevanje frekvenc odvisno od aktivnosti nižjih ravni slušne poti, verjetno inferiornega collikulusa.

Unilateralno gluhost lahko povzroči poškodba perifernega slušnega aparata ali kohlearnega jedra, vendar ne druge poškodbe ČŽS. Izgubo sluha za določeno frekvenco lahko povzroči poškodba določenega dela Kortijevega organa (npr. z izpostavljenostjo glasni glasbi ali industrijskemu hrupu). Stopnja gluhosti se lahko izmeri za različne frekvence z audiometrijo.

V audiometriji je vsako uho izpostavljeno tonom različne frekvence in intenzivnosti. Dobimo audiogram, ki nam pokaže prag vzdražnosti za vsako uho za določeno frekvenco. Primerjava z audiogramom normalnega posameznika nam pokaže slušni primanjkljaj v decibelih.

Klinično se uporabljata dva preprosta testa. Z njima določimo dva najpomembnejša tipa gluhosti: kondukcijska (prevodna) izguba sluha in senzorineuralna izguba sluha.

Prevodna izguba sluha se zgodi zaradi napak v zunanjem ušesu (sluhovod je zamašen z ušesnim maslom) ali srednjem ušesu (raztrganje bobniča). Senzorineuralna izguba sluha se kaže kot poškodba notranjega ušesa, kohlearnega živca ali centralnih povezav.

Weber-jev test se uporablja za ocenjevanje magnitude prevodne izgube sluha. V tem testu se baza vibrajočih glasbenih vilic položi na sredo čela in preiskovanca prosimo naj lokalizira zvok. Normalno zvoka ne lokaliziramo z določenim ušesom. Oseba s to vrsto gluhosti (zardi predrte membrane thympani, tekočine v srednjem ušesu, otoskleroze ali zaradi okvare slušnih koščic) lokalizira zvok na gluho uho, ker se prenese na kohleo skozi kost. Zvok se prenese na kohleo tudi pri nepoškodovanem ušesu, vendar zvok, prenesen prek kosti, ne aktivira Cortijevega organa tako kot zvok, ki bi se prenesel skozi membrano timpani in preko slušnih koščic. Razlog, zakaj zvok v Weberjevem testu ni lokaliziran na zdravo uho je, ker je tukaj sluh inhibiran z zvokom iz ambienta. Osebek z senzorinevralno izgubo sluha bi zvok lokaliziral na zdravo stran.

V Rinne- jevem testu se vibrajoče glasbene vilice položi na mastoidni procesus in preiskovanec mora določiti kdaj zvok izveni. Pri normalnih osebkih je zvok spet slišan, ker je zvok bolj učinkovito

prenesen do kohlee po zraku kot po kosti. Glasbene vilice so tako položene blizu zunanjega slušnega meatusa. Če je okvarjen prenašalni mehanizem, se zvoka ne sliši, ker so vilice blizu zunanjega slušnega meatusa. Prenos po kosti je v tem primeru boljši kot po zraku. Če gre za senzorineurlano izgubo sluha, sta notranje uho in kohlearni živec manj zmožna prenašati impulze, ne glede na to ali zvok doseže kohleo po kosti ali zraku. Ker je prenos po zraku bolj učinkovit kot po kosti, je vzorec pri prenosu po kosti pri senzorinevralni izgubi sluha enak kot pri normalnem ušesu.

ANALIZA ZVOKA:

Večina nevronov ima optimalno frekvenco. S porastom jakosti stimulusa se nevron odzove na večji obseg frekvenc. Frekvenco zaznamo glede na to, kateri nevroni se odzovejo. Jakost pa glede na hitrost odziva in koliko nevronov se odzove. Prepoznavanje frekvence se dogaja na nižjih stopnjah, korteks pa je pomemben za prepoznavanje vzorca zvoka (govor, glasba) in pa pomena zvoka.

VIDNI SISTEM

Človek večino pomembnih informacij iz okolja dobi preko vidnega sistema. Slednji zaznava ter interpretira dražljaje fotonov. Vse naloge, ki jih opravlja naše oko, lahko povzamemo v tri glavne funkcije: prepoznavo predmetov (forme, barv), lokalizacijo predmetov v prostoru in vizualno propriocepcijo (analizo o položaju in gibanju osebka glede na zunanji svet). Naše oko je sposobno zaznavati elektromagnetna valovanja fotonov valovnih dolžin med 400 in 700 nm. Temu razponu pravimo tudi vidna svetloba, katero procesirajo fotoreceptorji znotraj očesa. Oko lahko razlikuje pri svetlobi dve stvari-njeno svetlost in valovno dolžino (barve).

Fotoreceptorji ležijo na specializiranem senzoričnem epiteliju, imenovanem retina oz. mrežnica. Paličnice služijo detekciji svetlobe in najbolje delujejo pri šibkejši svetlobi (skototopičen vid) in ne zagotovijo dobro definirane slike. Čepnice za razliko od paličnic sicer niso tako občutljive za svetlobo in najbolje delujejo pri dnevni svetlobi (fototopični vid). Zadolžene so za zaznavanje barv.

Struktura očesa

Zgradba očesa je precej zapletena. Njegovo stena je zgrajena iz treh plasti.

ZUNANJO PLAST sestavlja Beločnica (sclera), bela, čvrsta vezivna opna, ki tvori ogrodje zrkla in ščiti notranjost očesa. Spredaj prehaja v roženico. Roženica (cornea) nima žil, je prozorna saj skozi njo vstopa svetloba v oko. Veznica (conjunctiva) je tanka skoraj prozorna sluznica, ki prekriva notranjo stran vek in beločnico.

SREDNJA OČESNA OVOJNICA se imenuje žilnica (choroidea) in je odgovorna za prehrano očesa. Šarenica (iris) je sprednji, nam vsem vidni del žilnice. To je barvni kolobar, ki obdaja zenico in določa barvo očesa. Zenica (pupil) je črna odprtina v šarenici, ki se s pomočjo šareničnih mišic krči in oži, glede na jakost svetlobe, ki prihaja v oko. Deluje kot zaslonka pri fotoaparatu. Srednji del choroidee se imenuje ciliarnik (corpus ciliare) v katerega je vpeta leča. Ciliarna mišica s pomočjo zonul uravnava napetost oz. debelino leče. Bolj kot je mišica napeta, bolj kroglasto obliko ima leča. Temu procesu pravimo akomodacija očesa. Sposobnost prilagajanja lomnosti leče z leti upada. Žilnica (chorioidea) je del očesne ovojnice med beločnico in mrežnico. Vsebuje številne krvne žilice in živce ter hrani optični del mrežnice.

NOTRANJA OČESNA OVOJNICA (mrežnica) zaznava svetlobo in sliko.

Mrežnica (retina) je najvažnejši del očesa, na katerem se ustvarja slika. Vsebuje številne živce in krvne žile. Vsebuje fotoreceptorje. Mesto najostrejšega vida na mrežnici se imenuje rumena pega (macula

lutea) in tukaj je tudi največ paličnic in čepnic. Mesto, kjer iz zrkla izstopa očesni živec ni občutljivo na svetlobo, ker tu ni paličnic in čepnic, zato se imenuje slepa pega. Vidni živec (nervus opticus) in vidna pot prenašata živčni dražljaj v možganske centre.

Notranjost izpolnjujeta sprednji in zadnji prekat, ter v večji meri zdrizasta prozorna steklovina.

Dioptrični aparat očesa sestavljajo: cornea, prekatna vodica, leča in steklovina.

Glavkom – ko se prekatna vodica ne absorbira in intraokularni tlak naraste, kar vodi do slepote. Prekinjen je dotok krvi v retino. Steklovina postane motna in to ovira svetlobo pri prehajanju do retine, zato je vid lahko meglen.

Optika vida

Oko bi v marsičem lahko enačili z kamero. Tako kot kamera ima tudi oko lečo, ki usmeri svetlobo na fotoreceptorje. Ker potekajo žarki skozi gorišče leče in šele nato padejo na mrežnico, je slika, ki pade na mrežnico, zrcaljena tako v vodoravni kot navpični smeri. Žarek, ki pade v oko, se mora lomiti točno pod določenim kotom, da pade na ustrezno mesto na mrežnici. V očesu ima največjo refrakcijsko moč (tj. pod kolikšnim kotom lomi svetlobo) roženica, in sicer je ta moč 43 dioptrov, medtem ko ima leča refrakcijsko moč od 13-26 dioptrov. En diopter pomeni, da leča lomi vzporedna žarka tako, da se sekata en meter za lečo. Če ima leča večjo refrakcijsko moč im lomi vzporedna žarka tako, da se sekata le 0,5m za lečo, ima ta leča moč 2 dioptra. Pri konveksnih lečah govorimo o pozitivnih dioptrih, pri konkavnih pa o negativnih.

Zelo pomembna za optiko vida je sposobnost leče, ki ji pravimo akomodacija. Leča lahko zaradi svoje elastičnosti ter zaradi delovanja ciliarne mišice spreminja svojo obliko. V normalnem stanju je ciliarna mišica sproščena in na lečo delujejo suspenzorni ligamenti, ki lečo napenjajo, tako da je ta bolj sploščena. V tem stanju je lomna moč leče manjša. Če pa gledamo nek bližnji predmet, se mora lomna moč leče povečati, da bo slika padla na mrežnico, to pa se doseže tako, da se leča ukrivi oz. postane bolj konveksna. Na lateralnem pripenjališču suspenzornih ligamentov je pripeta ciliarna mišica, ki ob svoji kontrakciji povleče te periferne dele ligamentov bolj medialno, zaradi česar upade napetost ligamentov in leča se ukrivi zaradi svoje lastne elastičnosti. Leča tako zavzame bolj sferično obliko, s tem pa se poveča lomna moč leče in tako lahko opazujemo bližnje predmete. S staranjem elastičnost leče upade in to privede do slabšega vida v starosti.

Čeprav optična os očesa prehaja skozi gorišče leče in doseže retini v točki med optičnim diskusom in foveo, je oko preko okulomotornih mišic usmerjeno na točko na tarči, ki se imenuje točka fiksacije. Svetloba iz fiksacijske točke prehaja vzdolž optične osi, skozi gorišče in se fokusira na foveo. Svetloba iz preostalega dela tarče pade na retino okoli fovee. Pravilni fokus svetlobe na retino ni odvisen le od leče ampak tudi od šarenice, ki tudi prilagodi količino svetlobe, ki vstopa v oko. Šarenica deluje kot nekakšna diafragma v kameri, ki tudi nadzoruje globino polja slike in količino sferične aberacije, ki jo povzroči leča. Ko se pupila zoži, se globina polja poveča in svetloba je usmerjena preko centralnega dela leče, kjer je sferična aberacija najmanjša. Pupilarna konstrikcija se pojavi refleksno, ko se oko akomodira na gledanje na blizu ali pa pri prilagoditvi na močno svetlobo.

Plasti retine

Retina je sestavljena iz desetih plasti:

1. Retina se prične s pigmentnim epitelijem, ki je znotraj choroidee. Pigmentne celice imajo tipalnicam podobne podaljške, ki se nadaljujejo v plast fotoreceptorjev. Ti podaljški preprečijo prečno razpršitev svetlobe med fotoreceptorji. Imajo tudi mehanično funkcijo, saj povezujejo pigmentno in fotoreceptorsko plast. Pigmentni epitelij tako zagotovi hrano za fotoreceptorje in odstranjuje

izmečke, fagocitira določene dele paličnic in ponovno spremeni že metaboliziran pigment v takšno obliko, da bo lahko ponovno uporabljen.

2. Plast fotoreceptorjev: paličice in čepki v očesu, ki prenašajo signale v zunanjo pleksiformno plast, kjer se se stikajo z biopolarnimi celicami (s sinapso) in horizontalnimi celicami (tudi s sinapso). Retinalne celice (Mullerjeve celice) igrajo pomembno vlogo pri obdržanju notranje geometrije retine. Te celice so orientirane radialno, paralelno na svetlobno pot skozi retino. Zunanji konci teh celic tvorijo tesne stike z notranjimi segmenti fotoreceptorjev.

3. Zunanja omejujoča membrana – tvorijo jo številne povezave med mullerjevimi celicami in notranjimi segment

4. Zunanja jedrna plast – plast jedr, ki vsebuje celična telesa in jedra čepnic in paličnic.

5. Zunanja pleksiformna plast – vsebuje sinapse med fotoreceptorji in retinalnimi internevroni, vključujoč horizontalne celice in bipolarne celice. Njihova telesa se nahajajo v notranji jedrni plasti.

6. Notranja jedrna plast – vsebuje tudi telesa ostalih retinalnih internevronov in telesa Mullerjevih celic.

7. Notranja pleksiformna plast – vsebuje sinapse med retinalnimi nevroni notranje jedrne plasti, vključujoč bipolarne in amakrinske celice in ganglijske celice.

8. Plast ganglijskih celic – ganglijske celice so proizvod retine in njihovi aksoni prenašajo vizualne informacije v možgane.

9. Plast optičnega vlakna – tvorijo jo aksoni ganglijskih celic. Ta vlakna nato prehajajo retino skozi excavatio discuc in nato zapustijo oko in orbito. Preden vlakna dosežejo optični disk so nemielinizirana. To pomankanje mielinizacije je specializacija, ki pomaga dovoliti svetlobi, da prehaja skozi notranjo retino z minimalno motnjo.

10. Notranja omejujoča membrana – najbolj notranja plast retine. Tvorijo jo zadnji konci Mullerjevih celic.

- Horizontalne celice, ki prenašajo signale horizontalno v zunanjo pleksiformni plasti; od paličic in čepkov do bipolarnih celic.

- Bipolarne celice, ki prenašajo signale vertikalno od čepkov in paličic in horizontalnih celic do notranje pleksiformne plasti, kjer so s sinapso povezane z ganglijskimi celicami in amakrinimi celicami. Tukaj imamo dva sistema celice. Ene ki delujejo ob svetlobi in druge ko ni svetlobe. Razločimo torej dve vrsti bipolarnih celic: depolarizacijske in hiperpolarizacijske. Ene se vzdražijo pri vklopu svetlobe, druge se pri izklopu svetlobe.

- Amakrine celice prenašajo signale v dve smeri. – Direktno od bipolarnih celic do ganglijskih celic ali - horizontalno znotraj notranjega pleksiformnega sloja med aksoni bipolarnih celic in dendriti ganglijskih celic in ostalih amakrinih celic

- Ganglijske celice, ki prenašajo izhodne signale iz retine po optičnemu živcu v možgane.

- Interpleskiformna celica prenaša signale v retrogradni smeri iz notranjega pleksiformnega sloja v zunanji pleksiformni sloj. Te signali so vsi inhibitorni in najbrž nadzirajo lateralno (spread) vizualnih signalov od horizontalnih celic v zunanji pleksiformni sloj. Uganjujem, da je njihova vloga pomoč pri nadzoru stopnje kontrasta v vizualni predstavi (sliki)

- Pigmentni sloj mrežnice: v tem sloju v mrežnici je črno barvilo melanin, ki preprečuje svetlobi da bi se razpršila po očesu, to pa bi privedlo do difuzne osvetljenosti mrežnice, zato ne bi mogli zaznavati jasnih in kontrastnih slik.

Ko se prenese signal iz čutnic na ganglijske celice se mora zgoditi kompresija, saj imamo 120 miljonov fotoreceptorjev in 1 miljon živčnih vlaken! Kako se to zgodi pa ne stekam...

Profil gostote svetlobnih čutnic v centru in na periferiji mrežnice (Fovea centralis – veliko svetlobe, barve; Periferija – zaznava predvsem gibanje i gledanje v mraku)

Fotoreceptorji

Fotoreceptorje delimo v paličnice in čepnice. Vsi fotoreceptorji so zgrajeni iz treh delov: zunanji del, notranji del ter sinaptični del. Zunanji del je fotokemično občutljiv, saj se v tem delu nahajajo membranski diski, ki vsebujejo rodopsin pri paličnicah, pri čepnicah pa eno izmed treh barvil, ki jim rečemo barvni pigment. Notranji del je z zunanjim povezan preko cilija, ki je migetalki podobna struktura. Notranji del fotoreceptorja vsebuje citoplazmo z jedri in drugimi celičnimi organeli, med katerimi so zelo pomembni mitohondriji. Sinaptični del se povezuje z bipolarnimi celicami. Paličnice imajo daljši zunanji del kot čepnice, zato so mnogo bolj občutljive na svetlobo. Reagirajo lahko celo na posamezen foton.

Paličnice vsebujejo pigment rodopsin. Rodopsin je sestavljen iz dveh delov in sicer iz retinala, ki je oblika vitamina A (retinol), ter iz proteina opsina. V temi je retinal v obliki 11-cis-retinal in je vezan na opsin, ob svetlobnem dražljaju pa se spremeni v all-trans-retinal, ki se odcepi od opsina. Retinal se lahko ponovno poveže z opsinom šele nato, ko se v pigmentnem sloju mrežnice reducira nazaj v prejšnjo obliko.

V čepnicah pa lahko najdemo tri oblike opsina, odvisno od vrste čepnice. Čepnice se ločijo po tem, ali so najbolj občutljive na modro (437nm), zeleno(533nm) ali rdečo(564nm) barvo. To, da čepnice vsebujejo različne pigmente, ki so občutljivi na različne valovne dolžine, je zelo pomembno, saj le tako lahko vidimo različne barve. Na en sam pigment imata lahko enak učinek dve različni barvi, glede na

njuni valovni dolžini in pa intenziteti. Če pa ti dve barvi padata na dva različna pigmenta, ju lahko ločimo, ker sta pigmenta različno občutljiva na vsako izmed njih.

Ko fotoreceptor ujame del svetlobne energije pride do hiperpolarizacije fotoreceptorja in do redukcije sprostitve transmiterja. Pri zelo kratkih razdaljah med stranjo transdukcije in sinapso je ta transmiterska prilagoditev dosežena že brez sprožitve akcijskega potenciala. Pri čepnicah pride hitreje do hiperpolarizacije kot pri paličnicah.

Regionalne variacije v retini

Macula lutea je področje centralnega vida in je vidno kot področje blede barve in rahle zgostitve. Ta zgostitev je posledica visoke koncentracije fotoreceptorjev in internevronov, ki so potrebni za visoko rezolucijo vida. Bleda barva pa je posledica tega, da optični živec in krvne žile potekajo le okoli makule. V makuli je vdolbina – fovea, in v njej je največja vidna rezolucija. Slika iz vidnega polja se pri gledanju projecira na foveo. Retinalne plasti v fovei so neobičajne, ker je večina njih odrinjenih stran v področje makule. Ker lahko svetloba doseže fotoreceptorje v fovei, brez da bi ji bilo potrebno iti skozi notranje plasti retine. Tako se izogne motnji slike in izguba svetlobe je minimilizirana. Fovea vsebuje čepnice, ki imajo dolge in suhe zunanje segmente. Takšna oblika čepnic omogoči veliko gostoto teh celic v fovei, kar omogoči visoko rezolucijo in kvaliteto slike.

V optičnem disku primanjkuje fotoreceptorjev in zato posledično primanjkuje tudi fotosenzitete. Optični disk je slepa točka v vizualni površini retine. Ponavadi se oseba ne zaveda slepe točke, ker je lahko to področje slepe točke vidno s kontralateralnim očesom in ker so ponavadi nedokončne slike preko končane psiholoških procesov.

Adaptacija mrežnice

Če je oseba izpostavljena svetlobi, je mrežnica prilagojena tako, da zaznava le malo svetlobe, ki pade v oko. Ko pa oseba pride v temen prostor, kjer je zelo malo svetlobe, ne vidi skoraj nič. Adaptacija mrežnice na temo lahko traja več ur, je pa res da se občutljivost za svetlobo v 40 min poveča za 25.000-krat. Najprej se adaptirajo čepki, bolj pomembne za gledanje v temi pa so paličnice, ki se adaptirajo počasneje kot čepnice.

Glej na liste od kolokvija

Barvni vid

Barvni vid omogočajo pri človeku tri vrste čepnic v osrednjem delu mrežnice, ki imajo zaradi različnih pigmentov različne absorbcijske spektre svetlobe. V osrednje živčevje se prenaša vidna informacija v treh antagoninstičnih kanalih: črno/beli kanal (pri fotopičnem gledanju sodelujejo vse čutnice), rumeno/modri kanal (signal iz rdečih in zelenih čepnic proti signalu iz modrih čepnic) in zeleno/rdeči barvni kanal (signali iz zelenih čepnic proti signalom iz rdečih čepnic). Odgovori na barvo oponentnega kanala (npr. rumena) so antagonistični odgovorom na drugo barvo antagonističnega kanala (npr. modra), ker ima ena barva iz para ekscitatorni, druga pa inhibitorni učinek na vidni sistem. Oponentne oz. anagonistične barve se zato nikoli ne zaznavajo hkrati – rumenomodra ali zelenordeča barva ne obstaja. Ta opažanja so utemeljena z ugotovitvami, da so nevroni, aktivirani z zeleno barvo, inhibirani z rdečo barvo. Ishiharov test barvnega vida se uporablja za ugotavljanje pomanjkljivosti v zaznavanju rdeče in zelene barve. Test sestoji iz 38 tablic, ki so sestavljene iz enako svetlih krogcev različnih barv. V primeru normalnega barvnega vida na njih vidimo številke, ki se le po barvi ločijo od ozadja, v primeru defekta, pa je številke težko oziroma nemogoče razločiti.

Glej list iz kolokvija

Retinalno vezje

Fotoreceptorji tvorijo sinapse z dendriti bipolarnih celic in horizontalnih celic v zunanji pleksiformni plasti. Horizontalne celice ustvarijo recipročne sinaptične povezave z bipolarnimi celicami, so električno povezane z ostalimi horizontalnimi celicami in dobivajo signale iz interpleksiformnih celic. Bipolarne celice tvorijo sinapse na dendritih ganglijskih celic in na podaljških amakrinskih celic v notranji pleksiformni plasti. Amakrinske celice se povežejo z ganglijskimi celicami, drugimi amakrinskimi celicami in interpleksiformnimi celicami.

Dražljaj retine je zagotovljen kot svetloba, ki vzdraži fotoreceptorje. Ta se nato prevaja naprej po aksonih retinalnih ganglijskih celic do možganov. Informacija se procesira znotraj retine preko internevronov. Najbolj direktna pot preko retine je iz fotoreceptorjev do bipolarnih celic in nato do ganglijskih celic. Bolj indirektna pot, ki zagotovi intraretinalne signale, pri procesiranju vključuje fotoreceptorje, bipolarne, amakrinske in ganglijske celice in tudi horizontalne celice, ki zagotovijo lateralne interakcije med sosednjimi potmi. Interpleksiformne celice pa omogočijo interakcije med notranjo in zunanjo plastjo retine.

Razlike med paličnicami in čepnicami glede funkcij in poti

Paličnice:

Imajo več fotopigmenta Boljši sistem ojačitve signalov Jih je več kot čepnic Delujejo boljše pri manjši svetlobi – skotopičen vid Izguba njihove funkcije vodi v nočno slepoto Vse paličnice vsebujejo enak fotopigment, zato z njimi ne razlikujemo barv Ne morejo zagotovit visoke vidne resolucije Pri močni svetlobi se rodopsin razbarva, zato paličnice več ne delujejo pod fototopičnimi

pogoji

Čepnice:

Imajo višji prag za svetlobo in niso aktiviran pri adaptaciji na malo svetlobe Zelo dobro delujejo pri dnevni svetlobi Zagotovijo vid z visoko resolucijo Imajo majhna receptivna polja in lahko reagirajo na stimuluse, ki izvirajo iz virov zelo blizu

drug drugemu Čepnice odreagirajo na zaporedne stimuluse s temporalno resolucijo

Imajo tri različne fotopigmente Zagotovijo barvni vid Izguba funkcionalnosti čepnic vodi v slepoto, ker vid samo s čepnicami ni zadovoljiv za

normalne vidne potrebe

Sinaptične interakcije

Razdalja med retinalnimi komponentami so kratke. Zato so modulirana transmiterska sprostitev in postsinaptični potenciali dovolj za večino aktivnosti v retinalnem vezju in akcijski potenciali niso potrebni pri večini internevronov. Samo ganglijske celice in nekatere amakrinske celice imajo akcijski potencial. V ganglijskih celicah mora priti do akcijskega potenciala, saj se le tako lahko prenese informacija iz retine do možgan.

Receptorski potenciali v fotoreceptorjih so hiperpolarizijajoči, sinaptični potenciali v retini pa so hiperpolarizijajoči ali pa depolarizijajoči. Hiperpolarizijajoči dogodki zmanjšujejo sprostitev nevrotransmiterja iz sinaptičnega terminala retinskega internevrona. Depolarizirajoči dogodki pa povečajo sprostitev nevrotransmiterja.

Organizacija receptivnega polja in predelava informacij v mrežnici

Princip vertikalne povezave je receptor-bipolarka-ganglijska celica. Vzburjenje receptorja (hiperpolarizacija) zmanjša sinaptično aktivnost sinapse med čutnico in bipolarko. Mrežnica vretenčarjev vsebuje dva tipa bipolarnih celic. Pri enem tipu zmanjšanje sinaptične aktivnosti in sproščanje mediatorja iz fotoreceptorja povzroči depolarizacijo bipolarke in vzdraženje ganglijske celice (dezinhibicija). Pri drugem tipu vzdraženja receptorja in s tem zmanjšanje sinaptične aktivnosti povzroči hiperpolarizacijo bipolarke in inhibicijo ganglijske celice.

Po drugi strani pa horizontalne in amakrine celice v mrežnici omogočajo horizontalno povezavo v mreži nevronov, katere najpomembnejša vloga je že opisana – lateralna inhibicija. Najvažnejši posledici take zgradbe mrežnice sta:

Vsaka ganglijska celica prejema impulze iz več receptorjev (površina receptivnega polja). Ker je ganglijskih celic bistveno manj kot receptorjev, je nujen princip konvergence. Ta pa je manjša v fovealnem predelu in večja na obrobju mrežnice.

Receptivno polje ganglijske celice ni enotno, ampak je sestavljeno iz osrednjega agonističnega in obrobnega antagonističnega področja. Pri on-tipu ganglijskih celic draženje v središču polja poveča aktivnost celice in draženje na obrobju inhibira celico. Pti off-tipu celice pa je obratno.

Konvergenca skupaj z obrobno inhibicijo ni pomembna samo pri kodiranju svetlobnega kontrasta, ampak tudi pri kodiranju barvnih informacij. Razločevanje barvnega kontrasta temelji na poseben način urejeni konvergenci impulzov iz treh vrst čepnic, tako da dobimo tri vrste antagonistično urejenih (oponentnih) zbirnih vodov: rdeče/zeleni, modro/rumeni in že omenjeni črno/beli.

Vidna informacija, ki jo posreduje mrežnica višjim živčnim predelom živčnega sistema, je torej že zelo predelana. Izgubijo se nakatere informacije (npr. absolutna svetlost slike) na račun informacij, ki so pomembne za organizem v boju za obstanek. Kako važen je ta vidik premikanja (gibanja v sliki) so prikazali v posebnem poskusu, kjer so preko negativne povratne zanke onemogočili neprestano skeniranje (drobne očesne premike) očesa pri stoječi sliki. Vidni vtis je namreč povsem zbledel po nekaj sekundah popolnega umirjenja slike na mrežnici.

P, m in w celice

Retinalne ganglijske celice lahko razdelimo na tri glavne tipe: P, M in W celice. P in M celice so homogene, medtem ko so W celice heterogene. P in M celice so kontrolirane s strani bipolarnih celic, W celice pa s strani amakrinskih celic.

LASTNOSTI P CELICE M CELICE W CELICE

Celično telo in akson srednje veliko veliko majhno

Dendritsko drevo omejeno podaljšano podaljšano

Receptivno polje

Organizacija centralno obkrožena cent. Obkrožena difuzna

Adaptacija tonična fazična

Linearnost linearna nelinearna

Valovna dolžina občutljiva neobčutljiva neobčutljiva

Svetilnost neobčutljiva občutlijva občutljiva

Velikost majhna srednja velika

Vidna pot

Vsa aktivnost v obeh retinah se prenese po vizualnih poteh v vizualni korteks. Vizualni živčni signali zapustijo retino skozi optični živec. Pri optični kiazmi se optična živčna vlakna iz nazalnih polovic retine križajo med seboj. Vlakna nazalnega dela desnega očesa se združijo z vlakni iz temporalnega dela retine levega očesa (retine) in z njimi tvorijo optični trakt.

Vlakna vsakega optičnega trakta se potem povežejo preko sinapse z dorzalnolateralni genikulatnim jedrom in od tu naprej genikulatno kalkarina vlakna potekajo mimo optične radiacije v primarni vizualni korteks in v kalkarino območje okcipitalnega lobusa. Sicer pa vizualna vlakna potekajo v ostale predele možganov.

Vidni sistem:

Retinogenikulatni - zavestna slika

Retinokolikularni – vlakna prehajajo v superiorni kolikel, ki ima nadzor hitrih gibov očes

Retinotektalni – vlakna poteakjo v pretektalni del, kjer je sistem za pupilarni refleks(adaptacija na svetlobo); deluje nezavedno

Vzporedni podsistemi vida:

Parietelni korteks Pove kje v vidnem polju vidimo

Temporalni korteks Povej kaj vidimo(oblike, barva, ...)

Z možgani vidimo celoten predmet možgani pa pri tem zanzavajo posamezne informacije. Zato najprej doživimo nevrobiološko analizo:

Lokacija, orientacija

Dominanca

Barvo gledanje

Nato pa moramo še doživeti psihološko sintezo, ki nam sestavijo komponente v celoten predmet.

Lesions Field defects

1 Partial optic nerve Ipsilateral scotoma

2 Complete optic nerve Blindness in that eye

3 Optic chiasm Bitemporal hemianopia

4 Optic tract Homonymous hemianopia

5 Meyer’s loop Homonymous upper quadrant anopia

6 Optic radiation Homonymous hemianopia

7 Visual cortex Homonymous hemianopia

8 Macular cortex Central scotomas (bilateral)

(A scotoma is a patch of blindness.)

Senzorični procesi

SENZORNA FAZA =>fotoni povzročijo razpad fotopigmenta (cis->trans) in zaprtje Na kanalčkov (hiperpolarizacija in nastanek receptorskega potenciala)

Foton je DRAŽLJAJ:

primarni atributi: luminanca (seštevanje vseh receptorjev), spektralna kompozicija (odštevanje da se povdari razlika v diferenčnih spektrih)

izpeljani atributi: kontrast, 2-D hitrost, 2-D orientacija, L-D retinalna disparacija (razlika med sliko levega in desnega očesa)

PERCEPTIVNA FAZA => 3-D je produkt naših možganov, mi vidimo samo v smeri x-y. Tri vrste čepnic imamo zato, da na različne načine analiziramo odbito svetlobo in da možgani to prepoznajo kot različne odtenke, barve.

2 velika problema:

Velika količina podatkov: potrebna je selekcija (že rumena pega je tako zasnovana da je oster vid samo v njenem centru) in kompresija podatkov. Časovna adaptacija: živčevje zanima samo tisto kar se hitro preimika (grožnja). Selekcijo omogoča tudi obrobna inhibicija (povdarijo se robovi, kontrasti) na receptivnih polji retine, kjer so koncentrični, v vizualnem korteksu pa se receptivna polja retine

seštejejo v inhibicijski ali ekscitacijski pas. Poleg tega je vizualni korteks urejen v različne kortikalne stolpičke, glede na usmerjenost dražljaja, glede na to s katerega očesa signal prihaja in katerih fotoreceptorjev.

Kako čim hitreje analizirat nek predmet: paralelna obdelava osnovnih lastnosti predmeta (receptor že na prvih sinapsah vzpostavi paralelne povezave za obdelavo, iz teh sinaps pa gredo ven tudi različna vezja, ki gredo ločeno v korteks: 70% parvocelularna – info za visoko resolucijo in barvo, 10 % magnocelularna – info za premikanje, 8% koniocelularna – prispeva k barvi), fuzijska ferkvenca (časovna razdalja med dvema dražljajema, da ju možgani še ločijo med sabo), ki je odvisna od zapletenosti dražljaja.

PSIHOFIZIČNA FAZA => Nato pride do kosntrukcije vida v možganih (verjamem toraj vidm).

Pupilarni refleks

Informacija gre iz očesa preko 2 možganskega živca (optičnega živca) in pride ven preko 3 možganskega živca (okulomotornega živca). To je parasimpatični refleks, kjer sta udeležena oba očesa. Torej tudi če samo eno oko osvetlimo, se skrči zenica na osvetljenem očesu in tudi na drugem očesu, ki ni bil osvetljen.

Če se skrči zenica samo v očesu, ki je bil izpostavljen svetlobi, pomeni da je prišlo do poškodbe živca ali pa mesencefalona.

Retikulo-genikulatni sistem

Izvor vlaken optičnega živca so ganglijske celice v mrežnici. Od izvora do preklopa v genikulatnem jedru talamusa so strogo retinotopično razporejene. Ta razporejenost se kaže v dveh značilnostih:

Velika večina vlaken pripada fovealnemu predelu mrežnice

Vlakna z leve in desne polovice vidnega polja potujejo ločeno, po prestopu na nasprotno stran v chiasmi se združijo istostranska vlakna iz obeh očes tako, da dobi desno genikulatno jedro informacije iz obeh levih polovic mrežnice oziroma iz obeh desnih polovic vidnega polja, levo genikulatno jedro pa iz obeh levih polovic vidnega polja

Stransko genikulatno jedro je pri primatih sestavljeno iz šestih slojev nevronov. Posamezen sloj prejema dotok samo iz enega očesa. Receptivna polja genikulatnih telesc so sestavljena podobno kot polja ganglijskih celic. Informacije iz obeh očes na tej stopnji še niso združene.

Poleg omenjenega sistema dobivajo vidne informacije tudi druge strukture, ki so pomembne za motoričen nadzor, povezan z vidom. Zgornji kolikli prejemajo vidne informacije tako iz mrežnice kot tudi posredno prek vidne možganske skorje in so vključeni v tektospinalne ali tektopontine sisteme motoričnega nadzora (ali samih očesnih ali drugih mišic). Prav tako prejema vidne informacije tudi pretektalno področje možganskega debla, ki je vpleteno v nadzor npr.zeničnega refleksa (notranje očesne mišice).

Vidni predel možganske skorje

Vlakna talamokortikalnih nevronov potekajo retinotopično urejeno v optični radiaciji ter tvorijo sinapse s celicami možganske skorje primarnega vidnega področja v 4.sloju. Tudi primarni predel vidne možganske skorje je dosledno retinotopično urejen, tako da je fovealni predel zastopan z veliko večjo površino kot pa obrobje mrežnice. Vertikalna modularna zgradba – sestavljena iz dveh načel.

Prvo načelo - ureditev stebričkov glede na nagnjenost oz. naklon vzdolžne osi kontrastnega pravokotnika v dražilnem polju celic. Če zadanemo dražilno polje neke kortikalne celice s kontrastnim pravokotnikom, potem jo bomo maksimalno vzdražili samo pri nekem določenem ustreznem naklonu tega pravokotnika. Celica v sosednjem stebričku ima nekoliko drugačen ustrezni naklon dražljaja in tako naprej.

Drugo načelo urejenosti je obstoj očesno dominantnih modulov (stebričkov). Šele v možganski skorji pride do združitve informacij iz ustreznih točk na mrežnicah obeh očes (v levi polobli za desno polovico vidnega polja in v desni polobli za levo polovico vidnega polja). To združevanje informacij iz obeh očes pa ni preprosto, saj obstajajo kortikalne celice, ki jih lahko vzdraži samo draženje ali desnega ali levega očesa, kortikalni nevroni, ki so enako dovzetni za draženje iz obeh očes, in pa nevroni z različno dovzetnostjo za levo in desno oko.

Združevanje vidne informacije iz obeh očes je nujen pogoj za globinsko (stereoskopsko) gledanje.

Zgradba receptivnih polj kortikalnih celic je lahko preprostejša (podobna kot za genikulatno celico) ali pa bolj kompleksna, tako da ni več ločenih ekscitacijskih ali inhibicijskih površin, temveč nevron najbolj vzdraži prikaz neke podrobnosti v receptivnem polju, npr. vogala ali prekinjene črte. Vse kortikalne celice tudi bolj vzdraži premikajoči se kot pa stoječi dražljaj. Zdi se, kakor da kompleksnejša vidna polja nastajajo po konvergenci signalov iz celic s preprosteje sestavljenimi receptivnimi polji. Obenem tako načelo zgradbe možganske skorje nakazuje že omenjeni modularni princip obdelave informacij. Le te se na nižjih etapah obdelujejo v specializiranih modulih za določene parametre vidnega dražljaja in se nekje v višjih etapah ponovno združijo v kompleksno vidno informacijo, ki pa nikakor ni objektivna slika sveta temveč je subjektivno izkrivljena.

Psihofizika vida

Psihofizika preučuje odnose med fizikalnimi lastnostmi dražljaja in senzoričnimi izkušnjami, psihofizikalne metode pa temeljijo na določanju zaznavnih pragov – kvantifikacija razmerja med fizikalnimi značilnostmi dražljaja in psihološko izkušnjo (zaznavo). Zaznavni prag je opredeljen kot velikost dražljaja, ki izzove zaznavo, oz. kot intenzivnost dražljaja, ki jo preiskovanec zazna v polovici poskusov. V senzoričnih poteh je stalna, naključna aktivnost (šum), ki jo zunanji dražljaj poveča.

PRAG VIDA

Kot absolutni prago označimo tisto jakost dražljaja, pri kateri pacient s 50 % gotovostjo pove, da je zaznal dražljaj, ali pa to pokaže sprememba njegovega vedenja. S teorijo detekcije signala poskušamo razložiti, zakaj se absolutni prag lahko pri posamezniku spreminja.

DOLOČANJE OSTRINE VIDA

Ostrina vida je sposobnost očesa, da loči dve točki v daljavi, kot dve ločeni točki. Pri fotopičnem gledanju za ostrino skrbijo čepnice iz makule, pri skotopičnem gledanju pa so za ostrino najbolj pomembne paličnice tik ob makuli. Najbolj se uporablja metoda po Snellenu: določanje vidne ostrine na daljavo. Pri tej metodi uporabljamo posebne tabele, na katerih so črke (optotipi) različnih velikosti. Velikosti črk so preračunane tako, da se iz razdalje 6m vidi vsaka črka/znak v zornem kotu 5 kotnih minut, njeni deli, ki so potrebni za razločevanje znakov med seboj, pa v kotu 1 kotne minute. Zdravo oko loči dve točki med seboj, kadar ju gleda pod kotom 1',- njegova ostrina je tedaj 1. Vidno ostrino tako določamo z

oddaljevanjem tabele ali pa s prikazovanjem vedno manjše črke. Ostrino vida izrazimo z ulomkom V = d/D , kjer pomeni d razdaljo iz katere preiskovanec vrstico bere, D pa razdaljo iz katere bi jo moral še brati.Z določanjem vidne ostrine na bližino ugotovimo sposobnost preiskovanca, da vidi jasno na bralni razdalji. Pri preiskavi uporabljamo Jaegerjeve tablice, na katerih so teksti različnih velikosti označeni s številkami. Pri preiskavi zapišemo, katero številko je preiskovanec lahko bral na razdalji 40 cm (npr, bere Jaeger št. 3 na razdalji 40 cm).

PERIMETRIJA

S perimetrijo ugotavljamo meje vidnega polja in izpade vidnega polja še posebej v področju perifernega vida, oz. njeggovih robnmih področji. Primetrija meri funkcijo mrežnice, vidnega živca in intrakranialnih vidnih poti, zato so vzroki izpadov vidnega polja spremembe na očesnem ozadju ali vidnem živcu (glavkom, vnetje vidnega živca), kakor tudi nevrološke bolezni, posebno multipla skleroza, možganski tumorji, možganska kap in sunkovite poškodbe vratne hrbtenice. Obstajajo štiri metode preiskave vidnega polja: Metoda po Amslerju, Kinetična perimetrija, Konfrontacijska metoda in Statična perimetrija.

JAKOSTNO-FREKVENČNO POLJE FOTOPIČNEGA IN SKOTOPIČNEGA VIDA

Stimulus ki ga človeško oko zazna kot vidno svetlobo je elektromagnetno valovanje pri 400- 700nm. Ko svetloba vstopi v oko pade na fotoreceptorje ki se nahajajo na očesni mrežnici. Ti fotoreceptorji so čepki in paličnice. Paličnice imajo nizek prag zaznavanja svetlobe torej najbolje delujejo v mraku oz. pri šibki svetlobi, temu pravimo Skotopični vid. Čepnice funkcionirajo ravno obratno, torej za njih je optimalna močnejša oz. dnevna svetloba, temu pravimo Fotopični vid.

Kot fiziološka merila za svetilnost, svetlobni tok in osvetljenost se uporabljajo predvsem tri enote : luks, lumen in kandela.

LUMEN - meri moč osvetlitve (luminous flux oz. luminous power)

LUX (lx) - je enota osvetljenosti, ki meri moč osvetlitve na določeno površino.

Uporablja se v fotometriji za merjenje intenzitete svetlobe, ki jo zazna oko.

1 lx = 1 lm/m2 ( 1 lux je enak enem lumnu na kvadratni meter)

KANDELA - meri moč osvetlitve svetlobnega vira v določeno smer,ki jo zazna oko zaradi občutljivosti na različne valovne dolžine.

Za svetlobo pri valovni dolžini 555 nm velja, da je 1 watt 683 lumnov.

Watti se uporabljajo radiometrične enote, medtem ko so lumni fotometrične enote.

EEG – glej na liste

IZZVANI POTENCIALI (evoked potentials)

EEG spremembo, ki se imenuje kortikalni izzvan potencial, lahko izzovemo s stimulosom. Ta izzvan potencial je najboljše zabeležen na delu lobanje, kjer je aktivirana možganska skorja. Na primer – vizualni stimulus rezultira v izzvanem potencialu, ki bo najbolje zabeležen ali posnet nad okcipitalno kostjo. Somatosenzorični izzvan potencial pa bo najbolj efektivno posnet blizu stika frontalne in parietalne kosti.

Izzvani potenciali so odraz aktivnosti nevronov, lahko pa pokažejo tudi aktivnost subkortikalnih struktur.

Izzvani potenciali so majhni v primerjavi z velikostjo EEG valov. Njihova očitna velikost je lahko ojačana s procesom signal averaging. Pri tem procesu je stimulacija ponovljena in EEG je posnet pri vsakem poskusu. Z vsako ponovitvijo stimulusa se bo izzvan potencial po stimulusu pojavil pri fiksnem intervalu. Spodnji oz. podporni EEG lahko pokaže negativen ali pozitiven odsev na različne poskuse med časom izzvanega potenciala. Pri tem procesu so izzvani potenciali electronically averaged. Naključna temporalna povezava EEG valov z rezultati stimulusa se rezultira v njihovi odpovedi, medtem ko se izzvani potenciali seštejejo.

Izzvani potenciali so klinično uporabljeni pri ocenitvi integritete senzorične poti, vsaj do nivoja primarnega senzoričnega področja. Lahko jih tudi uporabljamo pri ocenitvi funkcije struktur možganskega debla. Ti potenciali so lahko izmerjeni pri posameznikih v komi, kot tudi pri otrocih.

MOŽGANSKO DEBLO IN NADZOR BUDNOSTI (ZAVESTI)

Za opravljanje funkcij je nujno, da so višji nivoji živčevja v stanju budnosti (splošno pobujeno stanje). Specifična aktivacija določenih delov živčevja pa omogoča usmerjeno pozornost. Zavest opredeljujemo kvantitativno (koma – popolna zavest) in kvalitativno (cirkadiani ritem spanja in budnosti).

Na nadzor budnosti ključno vpliva retikularna formacija. Gre za razvojno star sistem nevronov, ki tvorijo mrežo, v kateri najdemo veliko število jeder. Retikularna formacija ima ascendentne povezave z višjimi deli CŽS in difuzno pobuja možgansko skorjo preko nespecifičnih talamičnih jeder (modulacija senzoričnega dotoka) ali direktno (neposredna modulacija možganskih procesov). Ima tudi povezave s hipotalamusom. Glede na različne nevrotransmiterje ločimo naslednje sisteme: holinergični, dopaminergični, noradrenergični, adrenergični, histaminergični in serotonergični.

Retikularna formacija preko nespecifičnih jeder talamusa in preko hipotalamusa modulira talamokortikalno aktivnost, katere oscilacije se kažejo v ritmičnosti EEG-valovanja. RF modulira

pobujeno stanje preko vzpenjajočih se senzoričnih dražljajev, kompleksne dvosmerne povezave s korteksom in tudi po živčno-humoralnih zankah (vpliv krožečih kateholaminov).

RF vpliva na talamične nevrone, ki so lahko v dveh stanjih: stanje prevajanja (transmisija) ali stanje izbruhov. V stanju transmisije nevroni odgovarjajo na različne ravni »inputa« z različnimi frekvencami proženja AP, v stanju izbruhov pa na stimulacijo odgovorijo z izoliranimi izbruhi.

CIKEL SPANJA IN BUDNOSTI

Perioda cikla je 25 ur, a se prilagodi dnevno – nočnemu ciklu. Za to je potreben detektor (fotoreceptor), ki komunicira s primarnim oscilatorjem (suprakjazmatično jedro hipotalamusa), kjer poteka oscilacija na ravni sinteze proteinov. Ti proteini vplivajo na vzdražnost nevronov, ki pa vpliva na nevronsko aktivnost. Primarni oscilator nato deluje na sekundarne osicilatorje. To prilagojenost pa lahko zmoti izoliranost posameznika iz okolja ali če gre v drug časovni pas.

Beta valovi dominirajo v budnosti, takrat je EEG desinhroniziran, kaže nizko amplitudo in visoko frekvenčno aktivnost.

V relaksiranem stanju z zaprtimi očmi v EEG dominirajo alfa valovi.

V spanju je stik z okoljem zmanjšan, ne pa izključen. EEG-aktivnost postaja vedno počasnejša, amplituda pa vedno večja (ne-REM faza). Med počasno-valovnim spanjem se mišice relaksirajo, le občasno prilagodijo držo. Prav tako se upočasni srčni utrip in zniža krvni pritisk.

Ko oseba zaspi gre skozi 4 stopnje počasno-valovnega spanja v periodi 30 – 45 minut.

V 1. stopnji alfa valove izrinejo θ (theta) valovi z nižjo frekvenco in sicer od 3 – 7 Hz.

V 2. stopnji se EEG še upočasni, nekaj počasno-valovne aktivnosti zmotijo spalna vretena, ki so vmesne aktivnosti s frekvenco 12 – 14 Hz in K-kompleksi s počasnimi potenciali z veliko amplitudo.

V stopnji 3 imamo δ valove s frekvenco od 0,5 do 2 Hz ter z občasnimi spalnimi vreteni.

V 4. stopnji pa imamo le δ valove.

Enostavnost, s katero so lahko posamezniki zbujeni pa se progresivno manjša med temi spalnimi stopnjami. Ko pa se zbudimo, gremo skozi te iste štiri stopnje, a v obratnem vrstnem redu.

Po približno eni uri spanja se pojavijo spremembe. EEG-aktivnost se desinhronizira (prekinemo dotok informacij iz mrežnice do hipotalamusa) in nastopi REM-spanje. EEG kaže nizko napetostno, hitro aktivnost, ki je podobna tisti pri budnih ljudeh, vseeno pa je posameznika v REM spanju težko zbuditi, kar imenujemo paradoksalno spanje. Mišični tonus v tej fazi popolnoma popusti, pojavijo se trzaji mišic in hitri premiki zrkel. Po tem hitrem očesnem premikanju je ta vrsta spanja dobila ime. Prav tako je v njem izgubljena regulacija temperature, začne se mejoza, pojavi pa se lahko tudi erekcija

penisa. Občasno se tudi spreminjajo utrip srca, krvni tlak in dihanje. REM spanje se pojavi se vsakih 90 minut, traja okoli 20 minut in se proti jutru podaljšuje. V njem se zgodi večina sanj in če preiskovanca v tej fazi zbudimo, jih tudi spominja.

Dojenček v maternici je večino časa v REM fazi spanja. Novorojenček je približno 8 ur v REM fazi in 8 ur v neREM fazi spanja. Otrok pri enem letu spi pibližno 11 ur v neREM fazi, 3 pa v REM fazi. Z leti se tako delež REM faze drastično zmanjša, količina neREM faze pa ostaja v dokaj istih nivojih. Na splošno se z leti ure spanja manjšajo.

Daljše deprivacije spanja lahko privedejo do resnih posledic, kot so zmanjšanje telesne teže, nezmožnost kontroliranja telesne temperature in vkončni fazi lahko nastopi tudi smrt.

Pri vplivanju na budnost/spanje imajo aktivno vlogo jedra retikularne formacije (stikala spanja). Če so aktivni hkrati acetilholinski, noradrenalinski in serotoninski nevroni, smo budni. Če so vsi trije tipi jeder neaktivni, smo v neREM-fazi spanja, kadar pa je neaktiven le nucleus raphe (serotinin), smo v REM-fazi spanja. Tako je spanje aktivno inducirano stanje zavesti.

Izzvor cirkardialnega cikla v možganih naj bi bil nucleus suprachiasmatic, ki se nahaja v hipotalamusu. To jedro dobi projekcije iz retine in njegovi nevroni naj bi formirali biološko uro, ki se prilagodi na svetloba-tema cikel. Uničenje tega jedra privede do motenj v številnih bioloških ritmih, vključujoč cikel spanja in budnosti.

Bolezni spalno-budnega cikla so: insomnia, močenje postelje, hoja v spanju, narkolepsija.

Koma ima δ aktivnost, možganska smrt nima aktivnosti, EEG je ravna črta, v epilepsiji pa se pojavijo številne EEG abnormalnosti. Poznamo delni in generaliziran epileptični napad.

Delni napad izhaja iz motoričnega dela možganske skorje in povzroča lokalizirane kontrakcije kontralateralnih mišic, ki se nato širijo še na druge mišice, to širjenje pa sledi somatotopični sekvenci motoričnega korteksa. Ta stereotipična progresija se imenuje Jacksonian march.

Kompleksni delni napad izvira iz limbičnega lobusa in se rezultira v iluzijah in delni namenski motorični aktivnosti.

Splošni/generalizirani napadi pa vključujejo velik del možganov in izgubo zavesti. Petit mal napad povzroča prehodno izgubo zavesti in trne v EEG valovni aktivnosti, grand mal napad pa vodi v izgubo zavesti za dalj časa, najprej se pojavi tonična faza v kateri je generaliziran dvig mišičnega tonusa, nato pa tej fazi sledi faza s številnimi sunkovitimi gibi. EEG trni, ki se pojavijo med velikimi napadi, se imenujejo interictal spikes.

Faza, ko še ne spimo neREM spanje REM spanje

Veliko se premetavamo, nismo na miru

Močno dojemamo in občutimo predvsem stvari iz zunanjosti

Naše razmišljanje je logično in stopenjsko

Nenehno se premikamo, gibi so pod vplivom naše volje

Večino časa smo pri miru

Dojemanja in občutenja skoraj ni

Naše razmišljanje je še vedno logično

Gibi niso več pod vplivom volje, so epizodični

Večino časa smo pri miru

Dojemanje in občutenje spet živahno, vir le tega je naša notranjost

Razmišljanje nelogično in bizarno

Ukazi za gibe so sproženi, vendar ti niso izvršeni

FIZIOLOŠKE OSNOVE SPOMINA

Učenje in spomin – kaj je to? Vrste spomina?

Sta glavni vlogi višjih funkcij CŽS. Učenje je nevronski mehanizem oz. proces, kjer osebek dolgoročno spreminja vedenje in je posledica izkušnje. S tem se poveča prilagodljivost organizma, kar poveča možnosti za obstanek vrste. Spomin je shranjevanje informacij, ki smo se jih naučili.

Spomin delimo na kratkoročni in dolgoročni spomin. Kratkoročni spomin temelji na neprekinjeni živčni aktivnosti in plastičnosti sinaps. Trenutni dogodki se ohranijo le nekaj minut. Dolgoročni spomin temelji na spremembah v živčnih mrežah. Dolgoročni spomin delimo v dve obliki in sicer v vmesno, ki se jo da pozabiti in dolgo ostajajočo, ki jo je zelo težko pozabiti.

Eksplicitni spomin lahko zavestno prikličemo kot dejstva ali splošno znanje (semantični spomin) ali kot osebno doživljanje dogodkov (epizodni spomin). Implicitnega (proceduralnega) spomina ne moremo zavestno priklicati (nedeklarativni spomin) in zajema učenje motoričnih ali kognitivnih veščin (npr. vožnja s kolesom) ter učinke pogojnega učenja.

Vrste spomina

Ker je mehanizem učenja in spomina pri sesalcih zelo kompleksen, so raziskave potekale predvsem pri preprostejših živalih (nevretenčarji), na primer vrsta kalifornijskega morskega polža Aplysia. Pri teh so študirali preproste (neasociativne) tipe učenja pri enovrstnem dražljaju:

Habituacija je, ko se nek osebek ne odziva več na ponavljajoči, šibki dražljaj (ko nosimo obleko, se je sčasoma ne zavedamo več). Izpust nevrotransmiterja se pri zelo aktivni sinapsi sčasoma zmanjša. To se zgodi zato, ker se tok Ca++ zmanjša zaradi inaktivacije presinaptičnih Ca++ kanalčkov, ki pa so občutljivi na zaporedne akcijske potenciale. V tem primeru gre za kratkoročno habituacijo. Poznamo tudi dolgoročno, kjer se število sinaptičnih koncev zmanjša.

Senzitizacija pa označuje povečanje odgovora pri ponavljanju močnega dražljaja (npr.: drgnjenje roke dlje časa vodi v topel občutek, to pa v bolečino).

Pri Aplysia so študirali tudi pogojno učenje (asociativno), kjer živčni sistem povezuje dva dražljaja. Poznamo dve vrsti pogojnega učenja:

Klasično pogojevanje: brezpogojni in pogojni dražljaj; Pavlov raziskoval na psih, glej slike spodaj.

Instrumentalno pogojevanje: dražljaj in posledica (nagrada ali kazen).

Bolj kompleksna oblika učenja je učenje z opazovanjem in posnemanjem. Primer: na televiziji so nasilni, pol pa froci to posnemajo ;).

Plastičnost sinaps – dolgoročno sinaptično ojačanje in oslabitev

Dolgoživo postetanično ojačanje (long-term potentiation) je eden izmed modelov, ki pojasnjujejo učenje. Ponavljajoča aktivacija aferentnih poti v hipokampus ali ponavljajoča aktivacija katere od intrinzičnih povezav poveča odgovore piramidalnih celic. Zaradi predhodnega kratkega tetaničnega draženja sinapse, se torej zviša amplituda postsinaptičnega potenciala. Povečani odgovori (LTP) trajajo

nekaj ur in vitro in celo nekaj tednov in vivo. Mehanizem ojačitve sinaptične učinkovitosti vključuje tako predsinaptične kot postsinaptične dogodke. LTP lahko vpliva tudi na spremenjeno izražanje genov.

Dolgoživo postetanično slabljenje (long-term depression) pomeni znižanje amplitude postsinaptičnega potenciala po predhodnem kratkem tetaničnem draženju sinapse.

Oba pojava so proučevali zlasti na rezinah hipokampusa, v neokorteksu in cerebelumu.

Nevroplastičnost – spreminjanje živčnih povezav

Poškodbe živčnega sistema lahko povzročijo spreminjanje živčnih poti in s tem spremembe v obnašanju. Takšne spremembe odražajo plastičnost živčnega sistema (NEVROPLASTČNOST). Plastičnost je največja v razvijajočih se možganih. Študije lezij možganov in obnašanja pa so pokazale, da je nevroplastičnost pravzaprav prisotna v vseh obdobjih našega življenja.

»Kritične periode« so pomembne za vzpostavitev živčnih povezav. V tem obdobju lahko namreč plastičnost spremeni nekatere živčne sisteme. Možno je na primer spremeniti nekatere povezave vidnih poti v času njihovega razvoja. To lahko storimo z odvzemom funkcije enega očesa (sprememba normalnih vidnih povezav v neobičajne), vendar samo v času zgodnjih kritičnih period v razvoju. Kasneje je namreč obnovitev normalne funkcije prizadetega očesa v takšnih primerih nemogoča. Poleg tega pa podobni odvzemi vida v obdobju po sedmih mesecih življenja ne rezultirajo v nenormalnih povezavah. Plastične spremembe, opažene v takšnih eksperimentih, kažejo na tekmovanje med nitjem in sinaptičnimi povezavami s postsinaptičnimi nevroni razvijajočega se živčnega sistema. Če razvijajoče se živčne poti »izgubijo« v tem tekmovanju, lahko pride do nevroloških primanjkljajev pri odraslih.

Primer plastičnosti pri odraslih je fantom senzorike udov. Pacient, ki je prestal amputacijo uda, pogosto čuti bolečino na manjkajočih udih. To naj bi bila posledica širjenja povezav iz okoliških predelov možganske skorje v kortikalne regije, ki so pripadale amputiranemu udu.

Podobno lahko opazimo na primer tudi po kirurški amputaciji kazalca in sredinca roke. Pred operacijo je vsak prst zavzemal svoj del v somatotopično organiziranih predelih postcentralnega girusa. Po operaciji pa to področje, ki so ga prej predstavljali amputirani prsti, sedaj zastopajo prsti, ki so bili sosednji amputiranim. (glej sliko na str. 4) Nasprotno je pri posameznikih rojenih s sindiktalijo prstov (2 ali 3 prsti zraščeni skupaj). Ti imajo skupno (enojno) oz. skoraj povsem prekrivajoče zastopanje teh prstov v skorji levega poscentralnega girosa. Po operaciji takšne prirojene napake ločeni prsti zavzemajo vsak svoje področje v skorji.

Plastične spremembe se pri odraslih lahko pojavijo tudi po operacijah možganov.

Dodatno znanje o nevroplastičnosti CŽS pri odraslih je pomembno no za izboljšanje na področju zdravljena bolezni živčnega sistema.

Okvare in izguba spomina

Izgubo spomina lahko povzroči motnja spomina samega ali pa pride do napake mehanizma za obujanje spominov. Dolgoročni spomin vključuje nevrološke spremembe in zato lahko ostane tudi v primeru, ko kratkoročnega zaradi različnih dogodkov izgubimo.

Temporalni lobusi se izkazujejo za izjemno pomembne pri spominu, saj pride ob bilateralni odstranitvi ali poškodbi formacije hipokampusa do izgube trenutnega spomina. Ostanejo že shranjeni podatki dolgoročnega in kratkoročnega spomina, novih podatkov pa si ni mogoče zapomniti.

3.2 KEMIČNA SINAPSA

Pri kemični sinapsi ni direktne povezave med citoplazmama dveh celic. Celični membrani sta ločeni s sinaptično špranjo in interakcije med celicami potekajo preko kemičnih posrednikov – nevrotransmiterji. Kemične sinapse so ponavadi enosmerne in potekajo od presinaptičnih do postsinaptičnih elementov. Presinaptični element je pogosto terminalni del aksona, v katerem so zapakirani majhni vezikli. Presinaptična membrana vsebuje tudi posebne regije – aktivna zona, ki vsebujejo gost elektronski material, ki odgovarja proteinom odgovornim za sprostitev nevrotransmiterja. V presinaptičnem koncu najdemo tudi mitohondrije in zrnati ER.

Postsinaptična membrana tudi vsebuje gost elektronski material, ki pa odgovarja receptorjem za nevrotransmiterje.

Kemične sinapse se pojavljajo med različnimi deli nevronov:

akson-dendrit (aksodendritska) akson-telo (aksosomatična) akson – akson (aksoaksonska) dendrit – dendrit (dendrodendritska)

dendrit – telo (dendrosomatska)

Možne so tudi kompleksne sinaptične povezave, kot so:

mešane sinapse – celice tvorijo kemične in električne sinapse serijske sinapse – aksoaksonska sinapsa je pritrjena na terminalni del aksona in tako vpliva na

njegovo delovanje recipročna sinapsa – obe celici sprostita nevrotransmiter, da vpliva na druge

Sinaptični prenos se začne s prihodom akcijskega potenciala do presinaptičnega konca. Akcijski potencial depolarizira ta konec, kar povzroči odprtje kalcijevih kanalčkov. Posledično naraste konc. kalcijevih ionov, kar povzroči fuzijo veziklov (vsebujejo nevrotransmiterje) s plazemsko membrano. Transmiter je nato izložen v sinaptično špranjo, jo prehaja in se veže na posebne receptorje na postsinaptični membrani. Vezava transmiterja na receptor povzroči odprtje (redko zaprtje) ionskega kanalčka v postsinaptični membrani. To povzroči spremembo potenciala in odpornosti postsinaptične membrane, kar spremeni vzdražnost celice.

Spremembe v membranskem potencialu postsinaptične

celice se imenujejo EPSP (ekscitiven postsinaptični potencial) in IPSP (inhibitorni postsinaptični potencial), glede na to ali povečajo ali pa zmanjšajo celično vzdraženost. Transmiter deluje zelo kratek čas (milisekunde), zato ker določeni mehanizmi ponovno privzamejo ali degradirajo transmiterje iz sinaptične špranje.

Posebnosti kemične sinapse so metabotropični in ionotropični receptorji. Metabotropični receptor ne vsebuje ionskega kanalčka, ampak je vezan na G-protein, ki povzroči sprožitev kaskade sekundarnih obveščevalcev, ta pa nato vpliva na ionske kanalčke. Ionotropični receptor vsebuje ionski kanalček kot svoj integralni del.

NEPEPTIDNI TRANSMITER PEPTIDNI TRANSMITERsintetiziran in zapakiran v živčnem terminalu sintetiziran in zapakiran v telesu celice - transport do živčnegasintetiziran v aktivni obliki terminala preko hitrega aksonskega transportaponavadi prisoten v majhnih, čistih veziklih aktivni peptid se formira, ko se cepi od večjega polipeptida,sproščen v sinaptično špranjo ki vsebuje več nevropeptidovaktivnost končana s privzemom v presinaptičnem ponavadi prisoten v večjih, elektron-gostih veziklihterminalu preko Na-aktivnega transporta lahko je sproščen stran od postsinaptične celiceaktivnost ima kratko latenco in kratko trajanje aktivnost prekinjena s proteolizo ali z difuzijo peptida stran aktivnost ima dolgo latenco in lahko traja nekaj sekund

VSTOP KALCIJA JE SIGNAL ZA SPROSTITEV TRANSMITERJA

Depolarizacija presinaptične membrane, ki jo povzroči akcijski potencial, vodi do odprtja napetostno zaprtih kalcijevih kanalčkov. To omogoči, da kalcijevi ioni prehajajo v terminalni konec in povzročijo sprostitev transmiterja. Kalcij bo vstopil le, če je elektrokemijski gradient v prid temu. Ekstracelularna konc. kalcija je visoka v primerjavi z intracelularno, kar je v prid vstopu v notranjost. Med vrhuncem akcijskega potenciala je membranski potencial pozitiven in napetostni gradient nasprotuje vstopu kalcijevih ionov zaradi pozitivne nabitosti. Torej ob vrhuncu akcijskega potenciala v celico vstopi zelo malo kalcija, ker je skupna gonilna sila majhna.

SUPRESIJSKI POTENCIAL – napetost ko v celico ne bo vstopilo nič kalcija, kljub odprtju kanalčkov. Posledica je, da se ne bo sprostilo nič transmiterjev in ne bo prišlo do postsinaptičnega odgovora.

Če pa membranski potencial na hitro postane negativen (konec akcijskega potenciala), bo kalcij vdrl v terminalni konec kot rezultat velike gonilne sile in velike permeabilnosti membrane za kalcij. Sledila bo sprostitev transmiterja in postsinaptični odgovor.

SINAPTIČNI VEZIKLI IN SPROSTITEV TRANSMITERJA

Pomembno za to je:

odkritje majhnega okroglega organela – sinaptični vezikel, ki se nahaja v sinaptičnem terminalu

opazovanje postsinaptičnega odgovora v živčno-mišičnem stiku. Normalno akcijski potencial v motoričnem nevronu povzroči veliko depolarizacijo v postsinaptični mišici (to se imenuje EPP-potencial motorične ploščice oz. end plate potential, je ekvivalenten EPSP v nevronu). Vendar v pogojih nizke konc. ekstracelularnega kalcija je amplituda EPP reducirana. Vzrok tega je reducirana količina presinaptičnega kalcija, ki vodi do manjšega dviga konc. intracelularnega kalcija in s tem do manjše količine sproščenega transmiterja. V takem stanju EPP nihajo med nizkimi vrednostmi. Vidne pa so manjše, spontane depolarizacije postsinaptične membrane – mEPPs (miniature end plate potentials). Amplituda mEPP odgovarja najmanjši vzbujeni amplitudi EPP pri nizki konc. kalcija. Torej vsak mEPP ustreza

sprostitvi transmiterja iz posameznega vezikla, EPP pa predstavlja kombinirano simultano sprostitev transmiterja iz večih veziklov.

MOLEKULARNE APARATURE, KI PODPIRAJO SPROSTITEV VEZIKLOV

Majhni vezikli, ki vsebujejo nepeptidne nevrotransmiterje, se lahko zlijejo s presinaptično membrano le na specifičnih mestih (aktivna zona). Da je vezikel primeren za fuzijo s presinaptično membrano v aktivni zoni, mora najprej pristati v aktivni zoni. Nato mora prestati sprožilni proces, potem pa lahko prehaja membrano in nato še sprosti svoj transmiter v sinaptično špranjo. Vse to se dogaja kot odgovor na zvišanje konc. lokalnega citoplazmatskega kalcija. Vsi ti procesi so nadzorovani s strani 25 proteinov. Sprostitev nevrotransmiterja vključuje SNARE proteine – v-SNARES v veziklih membrane in t-SNARES na tarčnih presinaptičnih plazemskih membranah. SNARE proteini povzročijo interakcije, ki zbližajo membranske vezikle in presinaptično plazemsko membrano. SNARE proteini so tarča botulinskih toksinov, ki zmotijo sinaptični prenos tako da onemogočijo vezavo kalcijevih ionov in jih bo zato moral vezat drug protein.

Kalcijevi kanalčki se nahajajo v aktivni zoni membrane, zraven mest kamor pristanejo vezikli. Ko se odprejo, se vzpostavi majhen del visoke konc. kalcija, ki traja kratek čas. Ta lokalna visoka koncentracija dovoli hitro vezavo kalcija na protein sinaptotagmin in ta vezava naj bi povzročila konformacijsko spremembo v tem proteinu, kar sproži fuzijo pristalega vezikla.

SINAPTIČNI VEZIKLI SE RECIKLIRAJO

Med sinaptičnim prenosom morajo vezikli prehajati, da lahko sprostijo svojo vsebino v sinaptično špranjo. Ampak mora obstajati tudi obraten proces, ker bi drugače površina membrane rastla v nedogled in s tem bi se ji spremenila funkcionalnost ter molekularna vsebina in zaradi obdržanja populacije veziklov. Obstajata dva mehanizma, ki odstranita vezikle po sprostitvi nevrotransmiterja. Prvi mehanizem je endocitotska pot, ki jo najdemo v vseh celicah. V plazemski membrani se tvorijo posebne prevlečene jame, ki se nato odščipnejo z namenom tvorbe veziklov v citoplazmi presinaptičnega terminala. Vezikli nato izgubijo prevleko in so podvrženi nekaterim nadaljnim transformacijam (vežejo določene proteine in se napolnijo z nevrotransmiterji). Tako postanejo ponovno primerni kot sinaptični vezikli za sprostitev.

Drug mehanizem je hitrejši. Vključuje prehodno fuzijo vezikla do sinaptične membrane in se imenuje kiss and run. V tem primeru fuzija vezikla skozi sinaptično membrano vključuje formacijo pore skozi katero se transmiter izloči. Ne pride pa do celotnega prehajanja vezikla v membrano. Trajanje fuzije je zelo kratko, po njej se vezikel odklopi z membrane in se sprosti. Torej vezikel ohrani svojo molekularno strukturo in se nato samo znova napolni z določeno vsebino. Ta način mehanizma je zelo

pomemben pri živčno-mišičnem stiku, ker je tam aktivnost sinaptičnega prenosa zelo velika in je potrebnih veliko veziklov.

POSTSINAPTIČNI POTENCIALI

Ko akcijski potencial sproži sprostitev nevrotransmiterja iz motoričnega nevrona, se v mišici ustvari EPP. Bolj v splošnem - pri ekscitatorni sinapsi akcijski potencial sproži EPSPs v postsinaptični celici. V obeh primerih pride do depolarizacije membrane, ki poveča vzdraženost celice.

EPP je tako velik, da pod normalnimi pogoji depolarizira sarkolemo veliko nad pragom akcijskega potenciala. Torej vedno sproži dražljaj, ki vodi v kontrakcijo mišične celice. To je primer sinapse z visokim varnostnim faktorjem (˃1) – razmerje sinaptičnega potenciala in amplitude potrebne za doseg praga. To je smiselno pri živčno-mišičnem stiku, ker je vsaka mišična celica v stiku le z enim motoričnim nevronom. Torej če je motoričen nevron aktiven, je živčni sistem odločil kontraktirat mišico.

Pri ekscitatorni sinapsi je malo drugače. Nevron dobi na tisoče ekscitatornih sinaps iz različnih celic. Vsaka sinapsa prispeva majhen delež EPSP, torej je potrebna vsota vseh EPSP za sprožitev akcijskega potenciala v postsinaptičnem nevronu.

Pri obeh situacijah so nadaljni procesi enaki – nevrotransmiter se veže na receptorje v postsinaptični celici, ki nato odpre kanalčke in dovoli prehajanje, to vodi v depolarizacijo membrane. Kanalčki so kontrolirani s strani vezave nevrotransmiterja. Lahko pa so kontrolirani tudi preko akcijskega potenciala oz. napetosti. Kanalček se bo torej zapiral in odpiral glede na spremembe membranskega potenciala. Lahko pa je kanalček odvisen od liganda in od napetosti – primer je NMDA kanal.

Vredno je omeniti, da se prejšnji in naslednji opis nanašata na to, kaj se zgodi, ko so nevrotransmiter veže na receptor, ko je ionski kanalček del receptorja samega. Ti receptorji se nanašajo na ionotropične in podpirajo hiter sinaptični prenos. Obstaja tudi počasen sinaptični prenos, ki ga uravnavajo metabotropični receptorji – pri njih pa receptor in ionski kanalček nista del enake molekule in vezava nevrotransmiterja na receptor sproži biokemične kaskade, ki vodijo do veliko bolj počasnih odgovorov. Kljub različnim časovnim potekom se veliko osnovnih principov nanaša na oba tipa sinaptičnega potenciala.

Ko se EPSP kanalčki odprejo, je smer toka določena glede na elektro-kemično gonilno silo za prehajajoče ione. Večino por kanalčkov, ki podpirajo EPSP, je velikih in zato dovoljujejo prehod večini kationov enostavno in na podoben način. Na primer – upoštevamo acetilholin-zaprt kanalček, ki se odpre pri živčno-mišičnem stiku. Na⁺ in K⁺ sta v večini prisotna kationa (Na⁺ ekstracelularno in K⁺ intracelularno). Torej bo skupni tok skozi kanalček približno vsota Na⁺ in K⁺-jevega toka:

Iskupni =INa+I K

Spomnimo se, da je tok skozi kanal pri določenem ionu odvisen od dveh faktorjev:

gonilna sila iona prevodnost kanalčka za ion →ta odnos je prikazan z enačbo:

Iₓ = gₓ X (Vm - Eₓ)

gₓ - prevodnost kanalčka glede na ion XVm - membranski potencialEₓ - Nernstonov ravnotežnostni potencial za ion X

V tem primeru je torej gₓ podoben za Na⁺ in K⁺, zato je glavna determinanta skupnega toka relativna gonilna sila (Vm - Eₓ). Če ima membrana mirujoč potencial (tipično okoli -70 mV), bo tekla močna gonilna sila za (Vm - Eₓ) za Na⁺ vstop v celico, ker je ta potencial daleč od Na⁺ Nernstonovega

potenciala (okoli +55mV). Medtem ko bo za K⁺-jevo zapustitev celice le majhna gonilna sila, ker je

Vm blizu K⁺ Nernstonovega potenciala (okoli -90mV). Torej če se acetilholin-zaprti kanalčki odprejo,

ko je ima membrana mirujoči potencial, bo skozi acetilholinski kanalček stekel noter velik Na⁺ tok in

ven majhen K⁺ tok → to bo rezultiralo v skupni notranji tok, ki bo depolariziral membrano.

Ta skupni notranji tok, ki je posledica odprtja teh kanalčkov, se imenuje EKSCITATORNI POSTSINAPTIČNI TOK (EPSC). Slika A (stran 90) prikazuje nasprotje med časovnim potekom EPSC in posledično EPSP pri hitrih sinaptičnih prenosih. EPSC je veliko krajši (okoli 1-2 msec) in odgovarja času v katerem so kanalčki dejansko odprti. Kratko trajanje EPSC je posledica dejstva, da sproščeni nevrotransmiter ostane v sinaptični špranji le za kratek čas preden se encimatsko razgradi ali pa je privzet s strani glie ali presinaptičnega terminala. Vezava in sproščanje nevrotransmiterja z njegovega receptorja se odvija zelo hitro. Torej ko enkrat koncentracija nevrotransmiterja v sinaptični špranji pade, se postsinaptični receptorski kanalčki hitro zaprejo in prekinejo EPSC. Opazimo, kako se konec EPSC odzove na vrh EPSP-ja, kateremu nato sledi dolg rep. Trajanje repa in stopnja upadanja EPSP amplitude odražata v pasivnih membranskih lastnostih celice. Pri počasnem sinaptičnem prenosu se trajanje EPSP odrazi bolj kot posledica aktiviranja in deaktiviranja biokemičnih procesov kot pa membranskih lastnosti. Dolgo trajanje tudi hitrih EPSP-jev je funkcionalno pomembno, ker dovoli EPSP-jem prekrivanje in s tem seštevanje. Takšen seštevek je zelo pomemben za dopolnilne lastnosti nevronov.

Normalno EPSP depolarizira membrano, in če depolarizacija doseže prag bo prišlo do nastanka akcijskega potenciala. Moramo upoštevati, kaj se zgodi, če so kanalčki (ki podpirajo nastanek akcijskega potenciala) blokirani in je membrana postsinaptične celice eksperimentalno depolarizirana preko vbrizganja toka skozi intracelularno elektrodo. Ker je membranski potencial sedaj bolj pozitiven, se gonilna sila za Na zmanjša za K pa poveča. Če se sinapsa v tej točki aktivira, bo tok ⁺ ⁺snovi skozi receptorski kanalček (EPSC) manjši zaradi sprememb v relativni gonilni sili. To pomeni, če je membranski potencial dovolj depolariziran, bo nekje točka kjer bosta Na in K tok skozi ⁺ ⁺kanalček enaka in nasprotna in torej posledično ne bo vsote toka in ne EPSP-ja. Če je membrana depolarizirana čez to točko, bo prišlo do vsote toka, ki teče ven iz celice skozi receptorske kanalčke in membrana bo hiperpolarizirana (EPSP bo negativen). Torej potencial pri katerem ni EPSP-ja ali EPSC-ja je znan kot REVERZNI POTENCIAL. Za ekscitatorne sinapse je reverzni potencial okoli 0 mV ( / 10mV) odvisno od sinapse.⁺ ₋

Reverzni potencial je ključni kriterij za demonstriranje razlik med kemično-zaprtimi in napetostno-zaprtimi sinaptičnimi odgovori, ker tok skozi napetostno-odvisne kanalčke ni reverzibilen razen pri Nernstonovem potencialu iona, za katerega so kanalčki selektivni (in pri tem mora biti še kanalček pri tem potencialu odprt). Posledično preko določenega membranskega potenciala ne bo noben tok prehajal skozi napetostno-odvisne kanalčke, ker bodo zaprti. V nasprotju pa ligandsko-odvisni kanalčki ostanejo odprti ne glede na membranski potencial in bodo vedno dovolili toku prehajanje. Izjema je le določena napetost, to je napetost reverznega potenciala, pri njej ne bo prišlo do prehajanja.

IPSP in EPSP sta sprožena z vezavo nevrotransmiterja na receptorje postsinaptične membrane in tipično vključujeta tudi zvišanje permeabilnosti membrane kot rezultat odprtja ligandsko-odvisnega kanalčka. Razlikujeta se v tem, da so IPSP kanalčki permeabilni le za posamezno ion (ali Cl ali K ). ⁻ ⁺Torej bo imel IPSP reverzni potencial enak Nernstonovem potencialu iona,katerega tok bo tekel. Nernstonov potencial za te ione je ponavadi negativen v primerjavi z mirujočim potencialom. To pomeni, da ko se IPSP kanalčki odpro bo prišlo so toka snovi ven iz celice in to bo privedlo do hiperpolarizacije membrane.

V nekaterih celicah pa aktivnost inhibitatorne sinapse ne proizvede nobene spremembe v potencialu (če je membranski potencial enak Nernstonovem potencialu za Cl ali K ) ali pa lahko privede do ⁻ ⁺manjše depolarizacije. V obeh teh primerih bo reverzni potencial za IPSP še vedno negativen v primerjavi s pragom sprožitve akcijskega potenciala (drugače bi povečalo verjetnost celice, da pride do akcijskega potenciala).

POVZETEK – EPSP-ji so vedno depolarizirani, IPSP-ji pa so lahko ali depolarizirani ali hiperpolarizirani in hiperpolarizacijski potencial je vedno IPSP. Torej je ključna razlika med inhibitorno in ekscitatorno sinapso (in med EPSP in IPSP) kako vplivajo na celično verjetnost nastanka akcijskega potenciala→EPSP poveča verjetnost, IPSP zmanjša verjetnost.

3.3 SINAPTIČNA INTEGRACIJA

Celotni efekt določene sinapse je odvisen od njene lokacije. Da bi lažje razumeli ta koncept, se spomnimo – akcijski potencial izvira iz aksonskega brega celice, ker je tam največja gostota napetostno-odvisnih natrijevih kanalčkov in zato posledično potreben najnižji prag za začetek akcijskega potenciala. Torej je vsota amplitud sinaptičnih potencialov na aksonskem bregu tista, ki je kritična za nastanek AP. EPSP-ji, ki jih povzročijo sinapse blizu aksonskega brega (telo ali proksimalni dendriti), bodo povzročile večjo depolarizacijo brega kot EPSP-ji, ki jih bodo povzročile sinapse bolj stran od brega (distalni dendriti). Čeprav bosta dve sinapsi sprožili enako velik EPSC, bo manj začetne vsebine prišlo do aksonskega brega od sinapse, ki je bolj oddaljena. Torej je položaj sinapse v dendritskem drevesu zelo pomemben za učinkovitost.

Večina sinaps v CŽS sproži EPSP, vendar je ta premajhen, da bi lahko dosegel prag akcijskega potenciala v postsinaptični celici. Do dosega praga akcijskega potenciala bo prišlo le pri vsoti ekscitacij večih vnosov. Primer: akson 1 sproži AP. To rezultira v EPSP, ki depolarizira celico, vendar je premajhen da bi dosegel prag. Če pa akson 1 sproži AP in akson 3 tudi sproži AP nekaj časa zatem. Vsak od njunih EPSP je premajhen za doseg praga, če pa nastopita drug za drugim se seštejeta in dosežeta prag in vzdražita celico. Takšni asinhroni vsoti EPSP pravimo temporalna sumacija. Do tega načina integracije pride, ker EPSP poteka dalj časa kot AP. Temporalna sumacija se lahko pojavi tudi, ko je ista sinapsa aktivirana večkrat zaporedoma in hitro.

Prostorska sumacija pa se nanaša na to, da sinaptični potenciali sproženi preko dendritov in telesa interagirajo. Ta interakcija je odvisna od lokacije dveh sinaps. Če sta sinapsi daleč narazen bo vsota EPSP približno enaka linearni vsoti dveh individualnih EPSP sproženih preko AP iz aksona 1 in 3. Če sta sinapsi zelo blizu (akson 2 in 4), bo vsota manjša od linearne sumacije. Vzrok tega je shunting effect. Ko je sinapsa 2 aktivna, so kanalčki odprti in je membrana bolj prepustna. Če pa je aktivna tudi sinapsa 4, bo več EPSC-ja izgubljenega oz. ranžiranega skozi membrano dendritov in posledično bo manj vsebine ostalo za potovanje po dendritu do aksonskega brega. Rezultat tega je, da sinapsa 4 povzroči sproži manjši EPSP na bregu kot bi ga sprožila v izolaciji (če bi delovala sama, brez sinapse 2). Vendar je vsota EPSP še vedno večja, kot bi bil posamezen EPSP sinapse 2 ali sinapse 4. (glej sliko stran 91)

Kakšna je vloga IPSP-ja pri sinaptični integraciji? Kjer se EPSP-ji dodajajo skupaj, da bi dosegli ali presegli vzdražnostni prag → IPSP-ji delujejo, tako da odvzemajo membranski potencial in ga delajo bolj negativnega, se pravi bolj stran od praga vzdražnosti

Ko celica razmišlja o nastanku AP, sama lahko preračuna ali je dovolj EPSP-ja v primerjavi z IPSP-jem za dosego praga. Tudi učinkovitost IPSP-ja je odvisna od njegove lokacije.

Kot dodatno, IPSP izvajajo inhibitorno aktivnost preko shunting mehanizma→ko so IPSP kanalčki odprti, je membrana posledično zelo prepustna (ima zmanjšano rezistenco). Ta prepustnost povzroči reduciranje EPSP-jev in jih tako naredi manj učinkovite. Shunting mehanizem obrazloži kako IPSP-ji, ki ne spremenijo membranskega potenciala ali pa jo celo malo depolarizirajo, lahko še vedno zmanjšajo vzdražnost celice. Drug način pogleda na to je, da vsako sinapso opazujemo kot napravo, ki poskuša membranski potencial pripeljati do njenega uravnovešenega potenciala. Ker pa je ta potencial pod pragom akcijskega potenciala zaradi IPSP-jev, je ta proces celici otežen in celica težko proizvede akcijski potencial.

Zadnji dokazi so pokazali, da večino dendritov in teles nevronov vsebuje aktivne elemente (zaprti kanalčki), ki lahko ojačijo in modificirajo EPSP in IPSP. Na primer – distalni EPSP-ji imajo lahko večji efekt od pričakovanega zaradi napetostno-odvisnih kalcijevih in natrijevih kanalčkov. Ti kanalčki so aktivirani s strani EPSP-ja, ta aktivacija pa poveča amplitudo ali pa celo podpre oz. ojači že razširjen dendritski akcijski potencial. Naslednji primer – kalijevi kanalčki aktivirani s kalcijem, ki se nahajajo v dendritih nekaterih nevronov. Ti kanalčki so aktivirani z dotokom kalcija preko sinaptičnega kanalčka ali pa preko dendritskega napetostno-odvisnega kalcijevega kanalčka – odpre ga EPSP. Ko so kanalčki aktivirani, povzročijo dolgo trajajočo hiperpolarizacijo, ki učinkovito naredi celico nevzdraženo. Zadnji primer – obstajajo tudi kalcijevi kanalčki, ki podpirajo nizek prag kalcijeve sprožitve akcijskega potenciala. Pri mirujočem membranskem potencialu so ti kanalčki ponavadi neaktivni. Vendar hiperpolarizacija, ki je posledica velikega IPSP-ja, lahko de-inaktivira te kanalčke in jim dovoli odprtje. Po koncu IPSP-ja lahko kanalčki proizvedejo impulz. V tem primeru je

inhibicija tista, ki poveča vzdraženost celice. Povzeto – sinaptična integracija je visoko kompleksen,nelinearen proces.

1. Miotatični refleks izzove nenadna motnja (povečanje) dolžine mišice npr. udarec po tetivi z refleksnim kladivcem. Podaljšanje mišice izzove povečanje frekvence impulzov po Ia aferentnem vlaknu. Le to tvori neposredno sinapso z alfa motoričnimi nevroni istoimenske mišice, od koder izvira mišično vreteno. Zato pravimo, da je ta refleks monosinaptičen. Povečana ekscitacija alfamotonevronov povzroči refleksno skrčenje mišice. Hkrati se aktivirajo tudi sinergistične mišice in prek inhibicijskih vmesnih nevronov se relaksirajo antagonistične mišice (ta komponenta torej ni več monosinaptična).

2. Inverzni miotatični refleks : Izzove ga povečanje napetosti v tetivi ustrezne mišice (npr. aktivna kontrakcija mišice). Povečanje napetosti povzroči zvišano frekvenco impulzov po Ib senzoričnem vlaknu. Le to tvori sinapse z inhibicijskimi internevroni, ki tvorijo inhibicijsko sinapso z ustreznimi alfa motoričnim nevronom (je torej bisinaptičen refleks). Posledica je relaksacija ustrezne mišice. Hkrati se poveča ekscitacija antagonističnim mišic.

3. Umaknitveni refleks fleksorjev izzovejo bolečinski dražljaji po aferentnih vlaknih tipa II, III in IV. Le ta tvorijo ekscitacijske sinapse z vmesnimi nevroni, ki ekcitirajo alfa motorične nevrone. Refleks je torej polisinaptičen. Na ipsilateralni strani (na strani draženja) pride do aktivacije fleksorjev ob hkratni relaksaciji ekstenzorjev in umaknitve uda. Na kontralateralni strani telesa (udu)se fleksorji relaksirajo, ekstenzorji pa skrčijo. Zaradi polisinaptičnih ekscitacijskih krogov, je lahko aktivacija podaljšana. Prav tako lahko ob ponavljanju dražljaja pride do senzitizacije (vedno močnejši odgovor) ali habituacije (odgovor se postopno zmanjšuje).