neuroinformatika - rmki.kfki.hubanmi/sote/biobase_v1.pdf · lengyel máté: biológiai alapok /...
TRANSCRIPT
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László
NEUROINFORMATIKA
Zoltán Somogyvári&
László Zalányi
MTA Wigner Research Centre for Physics
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László
Computational Neuroscience
Structure – Dynamics – Implementation – Algorithm – Computation - Function
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László 3
The brain and the computer
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László 4
Hierarchy of description
Mind
Brain
Body
Nervous System
Peripheral Central
Spinal Cord
Neurons Glial cells
Membrane potential Chemistry
Under treshold Action potential
Frequency Time patterns
?
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László
Brain of vertebrates (mammals)as visible with naked eye
human
rat
1. medulla oblongata2. pons3. cerebellum4. mesencephalon5. metencephalon
thalamus hypothalamus epithalamus
6. telencephalon ganglia basalis cortex
paleocortex archicortex
➢hippocampus, ... neocortex
➢lobus frontalis➢lobus parietalis➢lobus occipitalis➢lobus temporalis
1
2 34
5
6
5
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László
Elementary unit of the nervous system: The neuron
Parts of the neuron:dendritesoma
nucleusaxon
initial segmentterminal
synapse
gliamyelin sheath
Ranvier-nodes
6
Function:receptionintegration
reproductiontransmission
encodingoutput
communication
backgroundspeed up
amplification
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László
Types of neurons Pyramidal cell
in the cerebralcortex
Purkinje cellin thecerebellum
Bipolar cellin the retinal
Mitral cellin theolfactory bulbReticular cell
in the thalamus
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László
The cellwith electronmicroscope
nucleuscytoplasmmembrane
lipid bilayerproteins
integralperipheral
extracellular space (EC)intracellular space (IC)
8
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László
Trough the cell membrane
Different permeability, for different ions and molecules
Forces of ion transport
Membrane transport, trough proteins• pumps (+energy!)• channels• transporters
9
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László
Discovery of the electricity in animals
10
Galvani, De Viribus - Electricitatis in Motu Musculari. 1792.
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László
The electric neuron: resting potentialwith electrode
The phenomenon:Potential difference between the two sideEC and IC of the membrane
Reason:on the two different sides of the membrane: • different concentrations of ions on • the two side of the membrane• different permeability for different• ions 11
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László
The generation of the resting potential
12
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László
The electric neuron: action potentialwith electrode
What is the action potential?A short change in the membranepotential Time: 0 ms
Time: 1 ms
Time: 2 ms
Traveling action potential
The action potential is an 'all or none' phenomenon
firing threshold potentialresting potential
13
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László
Between two neuron: The synapse
14
Excitatory and inhibitory postsynaptic potentials
Ionotrophic (A) andmetabotrophic (B,C)receptors
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban2018 Neuroinformatika, Zalányi László 15
Excitatory and inhibitory neurotransmittersGlutamat(information transmission)
Serotonin (mood, wake/sleep)
Acetlicholin(neuromuscular junction)
Noradneraline(arousal)
Dopamine (reward system, Parkinson disease,schizophrenia)
GABA-gamma aminobutyric acid(in the central neural system)
Glycine(in the periphery)