Chemické smysly

•Chuť•Čich•Vnitřní chemorecepce•Obecný chemický smysl

Chuť

• Vnímá chemické látky rozpuštěné ve vodě

• Receptory shloučeny v chuťových pohárcích v papilách

• Na jazyku• Volně na patře

• Člk – 3 typy papil• Houbovitá papila (1-5 pohárků)• Listovitá papila (tisíce pohárků)• Hrazená papila (velké, okrouhlé, tisíce pohárků)

Chuťový pohárek obratlovcůPór

Pokožka

Podpůrné a bazální buňky nové receptory a trofická funkce

Receptory

NervAferentní vlákna

MikrovilliMísto trandukce-

Základní modality chuti

• Specifická chuť vzniká kombinací základních modalit– Hořko– Slano– Kyselo– Sladko

• Topografie – sladko/slano – špička jazyka, – kyselo – laterální části, – hořko – kořen jazyka

Charakteristika

• Hořko spojeno s nebezpečnými stimuly– Chemicky heterogenní látky– Sladko – nejsladší pro lidi jsou proteiny

thaumatin a monellin– Strukturálně odlišné– 100 000 krát sladší než glukosa

• Kyselo – kyseliny• Slano

Chemická transdukce a buněčná biochemie

• Odpovědi chemoreceptorů extrémně variabilní– Od přímého působení na iontové

kanály– Přes zapojení vnitrobuněčných

přenašečů– Bohatá škála neuronálních odpovědí– Využitelné i na jiných úrovních

komunikace neuronů

Transdukce chuťových stimulů

• Molekuly slané a kyselé chuti– Přímo otvírají iontové kanály

receptorů

• Molekuly sladké a hořké chuti – Působí prostřednictvím

vnitrobuněčného přenašeče• Existují výjimky pro některé hořké chuti

• Transdukce aminokyselin – přímo i přes přenašeče

Slaná a kyselá transdukce

• Kyseliny pronikají membránou chuťových receptorů přímo bez intervence receptorů

• Slano vzniká průchodem iontů přes napěťově nezávislé kationtové kanály

• Nevyžaduje přítomnost specifických receptorů

Transdukce na slaných a kyselých receptorech

K+

V klidu

H+

Uzavření kanálu

Hromadění K+ v ICTDepolarizace

V klidu

Na+ Na+ Na+

Na+ Na+

Na+ Na+

Depolarizace

A

B

Sladká transdukce

• Navrženy dva mechanismy sladké transdukce

• Otevření napěťově nezávislých Na+ kanálů

• Zavření napěťově nezávislých K+

kanálů– Není jasné, zda oba mechanismy

mohou existovat na jednom receptoru

Hořká transdukce

• Přímý vliv na kanály

• Receptory řízená iontová pumpa

• Receptory aktivovaný G protein (gustducin)

• Uzavření K+

kanálů• Aktivace Cl-

pumpy• Aktivace PIP

a IP3,zvýšení Ca+ a uzavření K+

kanálů• Inhibice PDE

a snížení cAMP hladiny

• Barium

• Quinin

• Strychnin

• Denatonium

Působeni Mechanismus Látka

Hořký ligandReceptor

G protein (gustducin)

Fosfolipáza C (PDC)

PIP2DAGIP3

Vnitřní membrána Ca++ zásoby

Ca++ uvolnění

A - uvolnění mediátorubez depolarizace

Proteinkináza C

K+ B – uzavření kanálu –

depolariz.

BDAG=diacylglycerol

PIP=fosfatidylinositoldifosfát

Chuťové dráhy• Chuťové info se nekříží• První synapse na chuťových receptorech

– Jedno aferentní vlákno inervuje více receptorů– Vzniká komplexní receptivní pole– Pole se překrývají

• Aferentní vlákna vstupují hlavovými VII, IX a X nervy

• Druhá synapse je v chuťovém jádře (solitary nuclear complex a parabrachiální jádro mostu)

• Pak v thalamu • Kůra • Modality segregovány v průběhu všemi

analyzačními centry

Prodloužená mícha

Chuťové jádro

Somatosensorická kůraChuťová oblast I

InsulaChuťová oblast II

Thalamus

Chuťový systém člověka

Kůra

Parabrachiální jádro

Most

Tektum

Mozeček Mozeček

Komora

Sacharin NaCl

HCl Quinin

Chuťové kódování

• 4 separátní kanály pro hlavní chutě existují i v mozkovém kmeni

• Separace však není absolutní• Většina receptorů odpovídá na více

než jednu látku• Ve směsích jedna látka může

modulovat působení látky jiné

Chemosensila bezobratlých

Otvůrek na vrchu

Sensila Dendrity receptorů

Kutikula

Dendrity Receptorová lymfa

Podpůrná buňka

Smyslový neuron

Axony

SůlCukrVodaSpecifické molekuly

Čich

• Fylogeneticky nejstarší• Emoce a paměť• Receptory odpovídají na diskrétní

těkavé látky• Nosní sliznice v nosní dutině• Receptory• Bb podpůrné a bazální

Receptory

• Bipolární neurony• Dendrity tvoří cilie, ty zanořeny v

mukoze nosní dutiny• Axony končí v čichovém laloku

– Zpočátku nemyelinizované, – později tvoří svazky obalené myelinem, – pronikají cribriformní destičkou

• Receptory savců kontinuálně obnovovány– Problematika prorůstání axonů

Cilie

Sliznice

Podůrné buňky

Receptory

Nerv

Čichové receptory obratlovců

Vůně

• Komplexní směsi těkavých látek• Kvalita dána přítomností různých

látek a jejich poměry• Lipofilní látky málo rozpustné ve

vodě• Velká variabilita struktur a funkčních

skupin• Společný jmenovatel – nízká

molekulová hmnotnost

Transdukce• Vůně nejprve absorbovány mukozou• Přítomnost odorant binding proteinu

– Různé teorie o jeho funkci

• Interakce vůně s receptorem – depolarizace• G protein

• aktivace adenylylcyklázy nebo IP3

• Na+ Kanály přímo kontrolovány cAMP

• Ca+ + - IP3

Diversifikace vnitřních přenašečů

• Vůně mohou aktivovat různé přenašeče• Vede se diskuze, zda jeden receptor

může využívat alternativních drah k ovládání iontových kanálů

• Receptory nedávno identifikovány– 7 transmembránových smyček– Spřažené s G proteinem– Extrémně citlivé– Jeden receptor exprimuje jeden gen

Vůně

Receptor

G proteinATP

Adenylylcykl

áza

cAMPNa+

Na+

Vůně

Receptor

G proteinFosfolipáza C

IP3

Ca++

Ca++

PIP2

A

B

Čichová transdukce obratlovců

LigandReceptor

G protein

Adenylyl cykláza

ATP

cAMP

PKA

Fosforylace

Desensitizace čichových receptorů

Rozpoznávání kvality chemického stimulu

• Čich a chuť kódují odlišně– Chuť

• Identifikuje relativně málo látek• Používá labeled lines

– Čich • Identifikace extrémního množství látek• Používá across fiber pattern

– Oba systémy principy kombinují

Kódování vůní

• Živočichové rozlišují tisíce vůní• Across fiber pattern

– Neurony odpovídají na více než jednu látku

– Jedna látka je vnímána více než jedním neuronem• U obratlovců se zdá, že čichové neurony tvoří

4 skupiny a 4 odlišné kanály čichové informace jsou odděleny i v čichovém laloku

• Identifikace čichových receptorů a genů

Čichové receptory

• 1000 genů u člověka a krysy– Bílkoviny se 7 transmembránovými

smyčkami– Schopné reagovat s G proteiny– Jeden receptor exprimuje jeden gen

– Vůně aktivuje populaci neuronů schopných interakce

– Informace je dále vedena jako populační kód– Interpretace ve vyšších mozkových centrech

Čichový lalok

Glomeruly

Receptory

Periglomerulární buňky

Granulární buňkyMitrální buňky

Chomáčkovité buňky

Čichový lalok člověka

Princip čichového kódování – chemotopické uspořádání

Glomeruly

Receptorové typy

Mitrální buňky – projekční neurony

Kolik glomerulů tolik receptorových typů

Čichový lalok a glomeruly

• Čichové laloky obratlovců, členovců, měkkýšů, červů mají podobnou organizaci –glomeruly (savci - 2000 glomerulů)– Hustě propletená dendritická a axonová

zakončení

• Buněčné typy :– Receptory– Mitrální buňky – výstup – Chomáčové buňky - výstup– Periglomerulární buňky

• Interglomerulární komunikace - inhibiční

– Granulární buňky• Nevstupují do glomerulů - inhibiční

Amylacetát

Limonene

Etyl-n-butyrát

Optické zobrazení glomerulární aktivity v čichovém laloku pomocí Ca sensitivního fluorescenčního barviva

Čichový lalok

• Konvergence – 5-10 tisíc receptorů• Podnět aktivuje specifickou kombinaci

glomerulů• Z glomerulu vychází cca 35 mitrálních a

80 chomáčových buněk• Oscilace projekčních neuronů• Svazování signálů, • přestavba synaptických

dendrodendritických recipročních spojů – čichová paměť?

• Korové kombinační detektory

Dráhy čichového systému člověka• Čichový nerv • Čichový lalok• Primární čichová kůra (piriformní a

entorhinální kůra)– Bez přepojení v THALAMU!!

• Důkaz evolučního stáří smyslu

• Další projekce do – Limbického systému (vůně – emoce) – Mediodorsálního jádra thalamu

• Z thalamu projekce do orbitofrontální kůry (vědomé rozpoznávání vůní)

Čichové mapy

• 2 čichové mapy – čichový lalok• Vyšší centra?? • Jak kůra porovnává signály z 1800

glomerulů?

Čichový lalok

Orbitofrontální kůra Pyriformní

kůraEntorhinální kůra

Mozeček

Thalamus Kalózní těleso

Čichový lalokČichový nerv

Pyriformní kůraEntorhinální kůra

Orbitofrontální komplex

Frontální lalok

Z thalamu

Do thalamu

Čichový neuron

obratlovců

Čichový neuron hmyzu

Čichový neuron červů

Tekutina

Tělo

Axon

Nosní dutina

Vzduch Vzduch

Vzduch

Tekutina

Tekutina

Tělo

Tělo

Axon

Axon

A

B

CDendrit Póry

Pór

Dendrity Pór

Kutikula tykadla

Sensila

Tykadlo švába

Čelní pohled na mozek švába

Tykadlový nerv

čichový lalokGlomeruli

MGC

Nerv

Zrakový lalokHoubovitá tělesa

Jícen

Psychofyzika čichu• Extrémní citlivost• Adaptace• Absence • modalit• slovníku popisující vůně• Klasifikace vůní podle chemických struktur• Některé vůně se při správném smíchání vyruší• Některé vůně voní jinak při různých

koncentracích (indol – psí exkrementy v nízkých koncentracích voní květinově)

• Schopnost rozpoznávání optických izomerů• Neschopnost rozlišení čisté látky a směsi• Směsi látek nepříjemných mohou dát

příjemnou vůni

Somatický smysl

• Povrch těla• Bolest, tlak, teplo, chlad, vibrace,

šimrání

Somatický smysl - charakteristika• Není soustředěn do

specializovaného orgánu• Uvnitř a po celém povrchu těla

– 2 anatomické dráhy – 1 mozková oblast

• Mediuje více modalit– Kvalita stimulu (měkký, tvrdý, ostrý,

horký, studený…)– Lokalizace

Volná zakončení

Receptorychlupových váčků

Maissnerova tělíska

Merkelův komplex

Paciniho tělíska

Ruffiniho tělíska

Mechanoreceptory savčí kůže

SLOW /*

FAST

FAST

SLOW

FAST

SLOW

/* ADAPTACE

Merkelův komplex

Volná zakončení

Paciniho tělíska

Potní žláza

Meissnerovo tělísko

Receptor chlupového váčku

Ruffiniho tělísko

Paciniho tělísko

Smyslové neurony savčí kůže

Neochlupená kůže

Ochlupená kůže

Merkelův komplex

Volná zakonče

ní

Svalové vřeténko

Svalové vlákno

Paciniho tělísko

Šlacha

Golgiho šlachové tělísko

Ruffiniho tělísko

Mechanoreceptory svalu a šlach

Somatosensorické receptory obratlovců• Různé aferentní dráhy

– Rozdílná rychlost vedení vzruchu • Myelinizované aferenty

– A30-73 m/s (6-12 m) - dotek, chlad, ostrá bolest – A – 5-30 m/s (1-5 m) – teplo, neohraničená bolest,

šimrání • Nemyelinizované aferenty

– C – 0,5-2 m/s (0,2-2 m)

• Aferentní signály z vnitřních orgánů – často podvědomá signalizace– Přispívají k vnímání těla v prostoru – kinestéze

• Vegetativní NS• Receptory natažení svalů a šlach

Transdukce• Specifické iontové kanály – ukotvené

• k cytoskeletu buňky• K externímu skeletu – uhlovodíkové řetězce

– Natažením aktivované• Otevírají se na začátku stimulu

– Natažením inhibované• Zavírají se na začátku stimulu

• Externí struktury „tvarují“ odpověď mechanoreceptoru

• Transdukce na volných nervových zakončeních neznám

Myelinizovaný axon

Vnější lamely

Vnitřní lamely

Nemyelinizované nervové zakončení

Stimulus

Generátorový potenciál

bez obalu

Paciniho tělísko

Diskriminace dotyku

• Jak rychle a kterým směrem se stimulus pohybuje– Fast adapting receptory (FA) pálí více

při vyšší rychlosti než slow adapting (SA)

– Směrově specifické mechanoreceptory

• Míra rozlišení – 1,5 mm vzdálené stimuly

Rozlišování detailů kožními mechanoreceptory prstu opice

Kůra

SA receptory

FAreceptory

Odpovědi receptorů na stimulaci

Zadní míšní kořenMícha

Prodloužená mícha

Střední mozek

Střední lemniskus

Primární somatosensorickákůra

Thalamus Kalózní těleso

Jádra zadních míšních provazců

Somatosensorické dráhy

Mícha

Spinothalamický trakt

Prodloužená mícha

Střední mozek

Primární somatosensorická

kůra

Thalamus

Kalózní těleso

Zadní míšní ganglia

Korová reprezentace somatosensorické informace

Spánkový lalok

Most

Prodloužená mícha

Mozeček

Primární somatosensorická kůra

Druhotná somatosensorická kůra v postranním záhybu SISII

Organizace SS kůry

• SI– Topografické uspořádání– Vstupy odděleny ve sloupcích

• SII– Hrubé topografické uspořádání– Vstupy z thalamu a z SI– Abstrakce povrchových vlastností ze

složitých podnětů– Ne zcela známo

Bolest

• Komplexní vjem s výraznou emocionální složkou

• Receptory – nociceptory – info o poškození tkání

• Volná nervová zakončení bez periferních struktur, mono i polymodální, různé transdukční mechanismy, lze selektivně blokovat

• Transdukční mechanismus není znám

Centrální zpracování – dráhy bolesti• Bolestivé podněty se přepojují

– V mozkovém kmeni– Thalamu– Somatosensorické kůře– Neví se, jak je bolest v kůřč zpracovávána

• Na všech centrálních synapsích dochází k modulaci– Somatosensorickými vstupy – vrátková teorie bolesti – Descendentní kontrolou z mozku

• Modulace vede ke změnám citlivosti na bolest – Fyziologické– Patofyziologické změny

• hyperalgesie

Kontrola vnímání bolesti• Somatosensorická

– Aktivace somatosensorických aferentních vláken s receptivními poli sousedícími s nociceptorem inhibuje nocicepční neurony v thalamu a v kůře – synaptické interakce

• Centrální sestupné dráhy – Opiátová – uvolňuje endogenní opioidní

peptidy– Distribuce opiátových receptorů v mozku

ukazuje naúčast nejen v modulaci bolesti– Serotoninová– Norepinefrinová

Tělo neuronu nocicepční dráhy

Post-synaptická modulace

Modulační neuron

Pre-synaptická modulaceNociceptor

Spinothalamický traktSestupný traktmodulace bolesti

Infoz nociceptoru

Somatický smysl bezobratlých

• Somatosensorické info zpracovávány v gangliích dané úrovně

• U hmyzu prokázáno topografické uspořádání

Vnímání rovnováhy

• U všech živočichů– Statocysty se statolity

• Vestibulární aparát - obratlovci• Otolitový orgán (párový)

– utrikulus a– sakulus

• makula – oblast s mechanoreceptory

• 3 polokruhovité chodby – ortogonálně orientované

Polokruhovité chodby

Utrikulus(váček)

Hlemýžď

Sakulus

Scala tympani

Scala media

Scala vestibuli

Vestibulární aparát člověka

Mechanoreceptory

• Vláskovité buňky– Anaxonální nespikující neurony– Uvolňují mediátor nepřetržitě na

aferentní neurony vestibulárních jáderOrgán rovnováhy – utrikulus a sakulus• Poloha – horizontálně orientovaná

makula utrikulu• Pohyb – vertikálně orientovaná

makula sakulu

Polokruhovité chodby

Vestibulární nerv

Utrikulus

Otolity

Makula v klidu Úklon hlavy stranou

Vliv úklonu hlavy na stereocilie utrikulu

Stereocilie

Polokruhovité chodby

• Rotace hlavy• Vyplněny tekutinou

– Detekce vzájemného pohybu tekutiny a sten kanálů

• Kontrola polohy očí při pohybu hlavy• Každá chodba má ztluštěninu –

ampula– Vláskovité bb zanořeny do gelatinozní

kupuly

Kupula

Endolymfa

Zrychlení

Odpověď neuronů

Odpověď vestibulárního receptoru opice na rotaci celého těla v rovině kanálu

0 pohyb

0 pohybNeměnná rychlost

Zrychlení

Čas (s)

Frekv

en

ce A

P

Receptorový potenciál

Transdukce ve vestibulárních buňkách• Receptory podobné buňkám kochlei

– Anaxonální– Nespikující – Stereocilie různé velikosti

• Ohyb ve směru k nejvyšším - depolarizuje• Ve směru k nejnižším – hyperpolarizuje

– Morfologicky polarizované– Mechanické otvírání nebo zavírání

nespecifických kationtových kanálů stereocilií

• Vestibulární buňky ampulí– Řady pravidelně uspořádány

• endolymfa ohýbá všechny stejným směrem

• Buňky utrikulu a sakulu– Uspořádání do 2 zón– Různá orientace stereocilií

• Citlivost k akceleraci ve všech směrech

Polokruhovité chodby

Utrikulus

Vestibulární nerv

Otolit

Makula

L

P

A

M

Šipky označují směr ohybu stereocilií, který depolarizuje

Vestibulární dráhy• 4 vestibulární jádra v prodloužené míše

(superior, lateral, medial, inferior)• 2 sestupné trakty

– Mediální vestibulospinální trakt– Laterální vestibulospinální trakt

• Vzestupné dráhy– Mozeček– Most

• nc. abducens –

– Střední mozek • Nc. trochlear • Okulomotorické jádro

– Kůra

Thalamus

Superior colliculusInferior colliculus

Do mozečku

Nc. abducens

Postrannívestibulospinální trakt

Střední vestibulospinální trakt

Vestibulární jádra

Superior Lateral Medial Inferior

Trochleární jádro

Okulomotorické jádro

Vestibulární dráhy

Elektrický smysl

Elektrický smysl

• Vnímání elektrického pole– Pasivní (nekontrolují svoje)– Aktivní (elektrogenní)

• Obrana před predátory• Elektrolokace (navigace nebo orientace)

• Evolučně odvozen z postranní čáry– Ampulární orgány

• Pod kůží - ampula spojená s povrchem

– Tuberální orgány• Pod kůží – nejsou spojeny s povrchem

– Reagují na fluktuace napětí

Princip elektrolokace

Nevodivý objekt

Vodivý objekt

Elektroreceptory

Kůže

kůže

Smyslový nerv

Ampulární orgán

Tuberální orgán

Elektroreceptory

Smyslový nerv

• Aferenty: • Prodloužená mícha• Tektum• Mozeček• Kůra

– Topografické uspořádání podle umístění receptoru na těle

• Extrémní citlivost receptorů– Elektrický gradient 0,005 V/cm

» proud generovaný 1,5 V baterií v oceánu s póly 3000 km od sebe!!!

• Navigace v magnetickém poli země– Pohyb napříč pole vyvolává větší elektrický

gradient než pohyb podél • Vyhledávání kořisti

– Svaly kořisti produkují el. potenciál

• Elektrické pole vyvolává – Depolarizaci způsobenou vtokem Ca2++ – Receptor se repolarizuje následným výtok K+

• Ampulární orgány– Receptory anaxonální, nespikují – Tonická odpověď – Kontinuální uvolňování mediátoru

• Tuberální orgány– Receptory anaxonální, SPIKUJÍ,

» jiné? obratlovčí chuťové

– Fázická odpověď (nekódují absolutní intenzitu)

• Některé přenášejí svou excitaci na neurony vyššího řádu elektricky

Magnetický smysl

• Vnímání přítomnosti a orientace magnetického pole zěmě– Bakterie

• magnetity – směsný oxid železa

– Magnetity i u jiných druhů, mechanismus neznám• Demagnetizace bez vlivu na chování (včely)• Holub – magnety po stranách hlavy

dezorientují

– Zrakový systém – speciální fotoreceptory, které využívají Elektron Spin Resonance

Magnetity

Uspořádání magnetitů v bakterii

• Elektron Spin Resonance– Odpověď fotoreceptorů modulována

orientací v magnetickém poli– Důsledkem je rozdílné vidění barev

• Behaviorální evidence• Fyziologické evidence chybí

• Pravý magnetický smysl– Žraloci – detekce změn elektrického pole při

pohybu magnetickým polem

• Jiné smysly– Vlhkost (hmyz)– Infračervené vlnění (hadi - zrak)