Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/

Computational Neuroscience

BSCS 2010

Zoltán Somogyvári

senior research fellow

KFKI Research Institute for Particle and Nuclear Physics

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/

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-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/

Types of neurons

Pyramidal cellin 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)

8

Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/

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-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/

Discovery of the electricity in animals

10

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 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-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/

The generation of the resting potential

12

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

firing threshold potential

resting potential

13

Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/

Between two neuron: The synapse

14

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/ 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)

Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/