43
Chapter 45: Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, and Neurotransmitters Guyton and Hall, Textbook of Medical Physiology, 12 th edition

Chapter 45-Organization of the Nervous System, Basic Functions of Synapses, And Neurotransmitters

Embed Size (px)

DESCRIPTION

guyton

Citation preview

Chapter  45:      Organization  of  the  Nervous  System,  Basic  Functions  of  Synapses,  and  Neurotransmitters  

Guyton  and  Hall,  Textbook  of  Medical  Physiology,  12th  edition  

General  Design  of  the  Nervous  System  

•       CNS  Neuron:    The  Basic  Functional  Unit  

Fig.  45.1  

General  Design  of  the  Nervous  System  

•       Sensory  Part  of  the  Nervous  System-­‐  Sensory      Receptors  

Fig.  45.2    Somatosensory  axis  of                                  the  nervous  system  

General  Design  of  the  Nervous  System  

•       Sensory  Part  of  the  Nervous  System-­‐  Sensory      Receptors  

 a.  Information  enters  the  CNS  through  peripheral    

 nerves  and  is  conducted  immediately  to  sensory    areas  in  

 1.  The  spinal  cord  at  all  levels  2.  The  reticular  substance  of  the  medulla,  pons,  

and  mesencephalon  3.  Cerebellum  4.  Thalamus  5.  Areas  of  the  cerebral  cortex  

 

General  Design  of  the  Nervous  System  

•       Motor  Part  of  the  Nervous  System-­‐  Effectors-­‐  most  important  role  of  the  nervous  system  is  to  control  various  bodily  activities.    This  is  achieved  by  controlling:    a.  Contraction  of  appropriate  skeletal  muscles  b.  Contraction  of  smooth  muscles  in  internal  organs  c.  Secretion  of  chemical  substances  by  exocrine  and    

 endocrine  glands  

General  Design  of  the  Nervous  System  

•       Skeletal  Motor  Axis  

Fig.  45.3    Skeletal  motor  nerve  axis  of  the  nervous  system  

General  Design  of  the  Nervous  System  

•       Skeletal  Motor  Axis-­‐  skeletal  muscles  can  be      controlled  from  many  levels  of  the  CNS  

 a.  The  spinal  cord  b.  The  reticular  substance  of  the  medulla,  pons,  

and  mesencephalon  c.  The  basal  ganglia  d.  Cerebellum  e.  Motor  cortex  

     

General  Design  of  the  Nervous  System  

•       Processing  of  Information-­‐  “Integrative  Function    of  the  Nervous  System  

 a.  Channeling  and  processing  of  information  

b.  Approximately  99%  of  sensory  information  is      filtered  out  and  considered  irrelevant  and    unimportant  by  the  nervous  system  

   

General  Design  of  the  Nervous  System  

•       Role  of  Synapses  in  Processing  Information    

a.  Some  synapses  transmit  info  from  one  neuron  to    another  with  ease,  and  others  with  difficulty  

b.  Facilitatory  and  inhibitory  signals  from  other  areas    of  the  nervous  system  can  control  synaptic      transmission  

c.  Synapses  perform  a  selective  action,  often  blocking  weak  signals  and  allowing  strong  signals  to  pass  but  sometimes  select  and  amplify  certain  weak  signals    

General  Design  of  the  Nervous  System  

•       Storage  of  Information  (Memory)    

a.  Information  stored  for  future  control  of  motor      activities  and  for  use  in  the  thinking  process  is    stored  in  the  cerebral  cortex  

 b.  Facilitation-­‐each  time  a  synapse  transfer  info,  the    

 synapses  become  more  and  more  capable  

Major  Levels  of  CNS  Func<on  

•       Spinal  Cord  Level    

a.  A  conduit  for  information  to  travel  from  the      periphery  of  the  body  to  the  brain  and  vice  versa  

 b.  Can  cause  walking  movements  

c.  Withdrawal  reflexes  

d.  Reflexes  that  stiffen  the  legs  to  support  the  body    against  gravity  

 e.  Reflexes  that  control  local  blood  vessels,  G.I.  

 movements,  and  urinary  excretion    

Major  Levels  of  CNS  Func<on  

•       Lower  Brain  or  Subcortical  Level    

a.  Control  of  most  of  the  “subconscious”  activities  

b.  Arterial  pressure  and  respiration  

c.  Control  of  equilibrium  

d.  Feeding  reflexes  

e.  Many  emotional  patterns  (anger,  excitement,    sexual  response,  reaction  to  pain  and  pleasure)  

 

Major  Levels  of  CNS  Func<on  

•       Higher  Brain  or  Cortical  Level    

a.  Cerebral  cortex  is  an  extremely  large  memory    storehouse  

 b.  Never  functions  alone  but  in  association  with  

 lower  centers  of  the  nervous  system    c.  Essential  for  most  thought  processes  

CNS  Synapses  

•       Types  of  Synapses    

a.  Chemical  1.  Almost  all  of  the  synapses  in  the  CNS    2.      First  neuron  secretes  a  neurotransmitter    3.      Neurotransmitter  binds  to  receptors  on  the                second  neuron  (excites,  inhibits,  or  modifies                its  sensitivity  

CNS  Synapses  (cont.)  

•       Types  of  Synapses    

b.  Electrical  1.  Have  direct  open  fluid  channels  that  conduct  

 electricity  from  one  cell  to  the  next  2.  Have  gap  junctions  which  allow  the  movement  

 of  ions  3.  Very  few  in  the  CNS  but  are  the  predominant  

 type  in  the  periphery  of  the  body  (i.e.  skeletal    muscle  and  smooth  muscle  contraction)  

CNS  Synapses  (cont.)  

•       “One-­‐Way  Conduction  at  Chemical  Synapses  

a.  Always  transmit  signals  in  one  direction  (from  the    pre-­‐synaptic  neuron  (releases  neurotransmitter)  to    the  post-­‐synaptic  neuron  

 b.  Called  the  principle  of  one-­‐way  conduction  

c.  Allows  signals  to  be  directed  toward  specific  goals      

CNS  Synapses  (cont.)  

•       Physiologic  Anatomy  of  the  Synapse    

Fig.  45.5      Typical  anterior  motor  neuron,  showing  pre-­‐synaptic                                      terminals  on  the  neuronal  soma  and  dendrites  

CNS  Synapses  (cont.)  

•       Physiologic  Anatomy  of  the  Synapse    

a.  Presynaptic  terminals  may  be  either  stimulatory  or    inhibitory  

b.  (Fig.  45.5)    Neurons  in  other  parts  of  the  spinal  cord      and  brain  differ  from  the  anterior  motor  neuron  in:  

 1.  Size  of  the  cell  body  2.  Length,  number,  and  size  of  the  dendrites  3.  Length  and  size  of  the  axon  4.  The  number  of  presynaptic  terminals  

CNS  Synapses  (cont.)  

•       Presynaptic  Terminals    

Fig.  45.6      Physiologic  anatomy  of  the  synapse  

CNS  Synapses  (cont.)  

•       Neurotransmitter  Release  From  the  Presynaptic  Terminal  

a.  The  membrane  of  the  presynaptic  terminal  contains      large  numbers  of  voltage  gated  Ca  channels  

b.  When  the  membrane  depolarizes,  the  channels  open  and    Ca  ions  flow  into  the  terminal  

c.  Quantity  of  transmitter  released  is  directly  related  to  the    amount  of  Ca  that  enters  

d.  Ca  binds  with  special  proteins  called  release  sites  which    open  and  allow  the  transmitter  to  diffuse  into  the      synaptic  cleft  

   

CNS  Synapses  (cont.)  

•       Action  of  the  Neurotransmitter    

a.  The  postsynaptic  membrane  contains  receptor  proteins    that  have  two  components:  

 1.  A  binding  part  that  protrudes  outward  and  binds  the  

 neurotransmitter,  and  2.  An  ionophore  part  that  passes  through  to  the  interior  

 of  the  postsynaptic  neuron  3.  The  ionophore  is  either  an  ion  channel  or  a  second  

 messenger  activator        

CNS  Synapses  (cont.)  

•       Ion  Channels-­‐  two  types      

a.  Cation-­‐  most  often  allow  Na  ions  to  pass,  but  sometimes    K,  and  Ca  also;  lined  with  negative  charges  which  attract    cations  but  repel  anions;  opened  by  excitatory  transmitters  

b.  Anion-­‐    when  channels  are  large  enough,  Cl  ions  pass    through  (cations  are  hydrated  and  too  large);  opened    by  inhibitory  transmitters  

 

CNS  Synapses  (cont.)  

•       Second  Messenger  Systems    

Fig.  45.7    Second  messenger  systems  

CNS  Synapses  (cont.)  

•       Second  Messenger  Systems-­‐  the  alpha  component  of  the    G  protein  performs  one  of  four  functions:  

 a.  Opening  specific  ion  channels  through  the  post-­‐  

 synaptic  membrane    b.  Activation  of  cAMP  or  cGMP    

c.  Activation  of  one  or  more  cellular  enzymes  

d.  Activation  of  gene  transcription    

CNS  Synapses  (cont.)  

•       Excitatory  Receptors  in  the  Postsynaptic  Membrane    

a.  In  excitation:  the  opening  of  Na  channels  to  allow      large  numbers  of  +  electrical  charges    to  flow  to  the    interior.    This  raises  the  membrane  potential  toward    threshold  (most  widely  used  method  of  excitation)  

 b.  In  excitation:    depressed  conduction  through  chloride  

 or  potassium  channels  or  both;  decreases  the  diffusion    of  Cl  to  the  inside  or  K  to  the  outside  which  makes  the    membrane  potential  more  positive  

 c.  Metabolic  changes  to  excite  cell  activity,  increase  

excitatory  receptors  or  decrease  inhibitory  receptors  

CNS  Synapses  (cont.)  

•       Inhibitory  Receptors  in  the  Postsynaptic  Membrane    

a.  Opening  of  chloride  channels  allowing  the  rapid  influx    of  ions  which  causes  the  membrane  potential  to  become    more  negative,  and  therefore  inhibitory  

 b.  Increase  in  conductance  of  potassium  ions  out  of  the  

 neuron  allowing  positive  ions  to  diffuse  to  the  outside    causing  increased  negativitiy,  and  therefore  inhibitory  

 c.  Activation  of  receptor  enzymes  that  inhibit  metabolic  

 functions  or  increase  the  number  of  inhibitory  receptors    or  decrease  the  number  of  excitatory  receptors  

Types  of  NeurotransmiBers  

•       Small  Molecule,  Rapidly  Acting  Transmitters  

Class  I   Class  II:  The    Amines  

Class  III:  Amino  Acids  

Class  IV  

Acetylcholine   Norepinephrine   GABA   Nitric  Oxide  

Epinephrine   Glycine  

Dopamine   Glutamate  

Serotonin   Aspartate  

Histamine  

Table  45.1  

Types  of  NeurotransmiBers  

•       Neuropeptide,  Slow  Acting  Transmitters  or  Growth  Factors      Hypothalamic  

Releasing    Hormones  

Pituitary  Peptides  

Peptides-­‐Act  on  Gut  and  Brain  

Peptides-­‐  Act  on  Gut  and  

Brain  

From  Other  Tissues  

Thyrotropin  RH   ACTH   Leucine  enkephalin  

Insulin   Angiotensin  II  

Leutinizing  HRH  

Beta-­‐endorphin   Methionine  enkephalin  

Glucagon   Bradykinin  

Somatostatin   Alpha-­‐MSH   Substance  P   Carnosine  

Prolactin   Gastrin    

Sleep  peptides  

LH   CCK   Calcitonin  

Thyrotropin   VIP  

GH   Nerve  growth  factor  

Vasopressin   Brain  derived  neurotropic  factor  

Oxytocin   Neurotensin  

Table  45.2  

Electrical  Events  During  Excita<on  

•       Resting  Membrane  Potential  (-­‐65  mV  for  a      spinal  motor  neuron)  

Fig.  45.8  

Electrical  Events  During  Excita<on  

•       Concentration  Difference  of  Ions    

Fig.  45.8  

Electrical  Events  During  Excita<on  

•       Uniform  Distribution  of  Electrical  Potential    Inside  the  Soma  

 •       Effect  of  Synaptic  Excitation  on  the  Postsynaptic  

 Membrane—Excitatory  Postsynaptic      Potential  

   

Electrical  Events  During  Excita<on  

Fig.  45.9    Three  states  of  a                                    neuron  

Electrical  Events  During  Excita<on  

•       Generation  of  APs  in  the  Initial  Segment    

a.  Axon  hillock  

b.  The  membrane  has  7x  the  voltage  gated  Na    channels  as  does  the  membrane  of  the  soma  

 c.  Threshold  is  about  -­‐45  mv  (Fig.  45.9)  

Electrical  Events  During  Inhibi<on  

•       Effect  of  Inhibitory  Synapses  on  the  Postsynaptic    Membrane—Inhibitory  Postsynaptic  Potential  

 a.  Inhibitory  synapses  open  mostly  Cl  channels  

b.  As  the  chloride  ions  enter,  the  membrane      potential  becomes  more  negative  (toward  -­‐70  mV)  

 c.  Opening  K  channels  allows  the  positive  ions  to  move  

 out;  with  the  Cl,  this  causes  a  hyperpolarization    d.  Causes  an  IPSP  (inhibitory  postsynaptic  potential)  

Electrical  Events  During  Inhibi<on  

•       Presynaptic  Inhibition    

a.  Release  of  an  inhibitory  substance  onto  the  outside    of  the  presynaptic  nerve  fibrils  (usually  GABA)  

 b.  Opens  anion  channels,  allows  Cl  to  diffuse  inward  

c.  Negative  charges  cancel  much  of  the  excitatory  effect  

d.  Occurs  in  many  sensory  pathways  

Electrical  Events  During  Inhibi<on  

•       Time  Course  of  Postsynaptic  Potentials    

Fig.  45.10    EPSPs  

Electrical  Events  During  Inhibi<on  

•       Spatial  Summation-­‐    stimulation  of  many      presynaptic  terminals;  the  effects  can  summate    until  neuronal  excitation  occurs  (Fig.  45.10)  

   •       Temporal  Summation-­‐  successive  discharges  from  

 a  single  presynaptic  terminal;  if  they  occur    rapidly  enough,  they  also  summate  

Electrical  Events  During  Inhibi<on  

•       Simultaneous  Summation  of  IPSPs  and  EPSPs-­‐    the  two  effects  either  completely  or  partially    nullify  each  other  

   •       Facilitation  of  Neurons  

a.  Occurs  when  the  summated  postsynaptic  potential  is    excitatory  but  has  not  reached  the  threshold  

 b.  Another  excitatory  signal  can  then  excite  the    

 membrane  quite  easily  

Electrical  Events  During  Inhibi<on  

•       Special  Functions  of  Dendrites  for  Exciting  Neurons  

a.  Large  spatial  field  of  excitation  of  the  dendrites-­‐  80-­‐95%    of  all  presynaptic  terminals  of  the  anterior  motor  neuron    terminate  on  dendrites  

 b.  Most  dendrites  cannot  transmit  APs  but  they  can    

 transmit  signals  by  ion  conduction  of  the  fluids  in      cytoplasm    

Electrical  Events  During  Inhibi<on  

•       Decrement  of  Electrotonic  Conduction  in  the  Dendrites-­‐    Greater  Excitatory  or  Inhibitory  Effect  by  Synapses    Located  Near  the  Soma    

 

Fig.  45.11  

Electrical  Events  During  Inhibi<on  

•       Summation  of  Excitation  and  Inhibition  in  Dendrites    

Fig.  45.11  

Electrical  Events  During  Inhibi<on  

• Relation  of  State  of  Excitation  of  the  Neuron  to  Rate      of  Firing-­‐  excitatory  state  is  the  summated  degree    of  excitatory  drive  to  the  neuron  

 

Fig.  45.12      Response  characteristics  of  different                                        types  of  neurons  to  different  levels                                          of  excitatory  state  

Special  Characteris<cs  of  Synap<c  Transmission  

•       Fatigue  of  Synaptic  Transmission  

•       Effect  of  Acidosis  or  Alkalosis  

•       Effect  of  Hypoxia  

•       Effects  of  Drugs  

•       Synaptic  Delay