View
2
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Computational Neuroscience
BSCS 2012
Zoltán Somogyvári
senior research fellow
Wigner Research Institute for Physics, Theoretical Department
Supporting materials: http://www.kfki.hu/~soma/BSCS/
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Computational Neuroscience
Structure – Dynamics – Implementation – Algorithm – Computation - Function
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/ 3
The brain and the computer
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/ 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-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
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-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
The neocortex
The archicortex
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Elementary unit of the nervous system: The neuron
Parts of the neuron:dendritesoma
nucleusaxon
initial segmentterminal
synapse
gliamyelin sheath
Ranvier-nodes
7
Function:receptionintegration
reproductiontransmission
encodingoutput
communication
backgroundspeed up
amplifcation
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
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-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
The cellwith electronmicroscope
nucleuscytoplasmmembrane
lipid bilayerproteins
integralperipheral
extracellular space (EC)intracellular space (IC)
9
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Trough the cell membrane
Diferent permeability, for diferent ions and molecules
Forces of ion transport
Membrane transport, trough proteins• pumps (+energy!)• channels• transporters
10
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Discovery of the electricity in animals
11
Galvani, De Viribus - Electricitatis in Motu Musculari. 1792.
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
The electric neuron: resting potentialwith electrode
The phenomenon:Potential diference between the two sideEC and IC of the membrane
Reason:on the two diferent sides of the membrane: • diferent concentrations of ions on • the two side of the membrane• diferent permeability for diferent• ions 12
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
The generation of the resting potential
13
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
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
fring threshold potentialresting potential
14
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Between two neuron: The synapse
15
Excitatory and inhibitory postsynaptic potentials
Ionotrophic (A) andmetabotrophic (B,C)receptors
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/ 16
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)
Recommended