1

Szinaptikus folyamatok

Jelátvitel az idegrendszerbenElektromos szinapszisokKémiai szinapszisokNeurotranszmitterek és receptoraikSzinaptikus integrációSzinaptikus plaszticitás

Kettős információátvitel az idegrendszerbenanalóg: folyamatos és fokozatmentes (csak ez: nonspiking neuronok)digitális: minden vagy semmi

Funkcionális polaritás

dendritek

szóma

Axon iniciális szegmentum:Na-csatornák

axon

bemenet

integráció

kódolás

kimenet

2

Elektromos szinapszisok 1: gap junction (réskapcsolat) EM

felülnézet keresztmetszet

anyagtranszport

connexininnexinpannexin

Elektromos szinapszisok 2

Elektromos szinapszisok általános jellemzői1. Kapcsolási koefficiens ∆VA/ ∆VB2. Áramkörileg egy ellenállásnak plusz egy

aluláteresztő szűrőnek felelnek meg3. Példák

1959 Furhspan & Potter: rák idegsejtekretina amakrin sejtekagykérgi interneuronoksimaizom, szívizom, érzékszervi receptorsejtek

3

Szimmetrikus elektromos szinapszis

Elektromos szinapszisok 3

Aszimmetrikus (rektifikáló) elektromos szinapszis

Elektromos szinapszisok 4

4

10 µm 0.2 µm

50 ms

0.3 mV

40 mV

200 ms

Presynaptic cell firing pattern

Postsynaptic cell firing pattern

Presynaptic action potentials

Postsynaptic response, control

NBQX, AP-5

5 ms

Presynaptic action potential

Postsynaptic responses(control and drugs)

Tamás et al. (2000)Nature Neuroscience 3, 366

Electrical coupling between cortical basket cellsis mediated through somato-dendritic gap junctions

0.1 µm0.1 µm

A kémiai szinapszisok működési sémája

5

Szinapszistörténelem

Claude Bernard 1852: kurareSherrington 1898: szinapszis név és koncepcióCajal 1909: neuron doktrínaOtto Loewi 1921: izolált bákaszív nervus vagussal

vagus stimulációra lelassul a szív: vagusanyag, „vagusstoff”Dale 1936: acetilkolin az átvivőanyagEccles 1950-es évek: intracelluláris elvezetés, szinaptikus serkentés és gátlásKatz 1952-től: kvantális ingerületátvitelAhlquist 1948: receptor fogalom, α és β adrenerg receptor

A kémiai szinapszisok két fő típusa

6

Gyors kémiai szinapszisok

Ideg-izom preparátum

Szinaptikus potenciálok

Véglemez potenciál (epp) megelőzi az akciós potenciáltD-tubokuranin: nAChR kompetitív antagonista

Kuffler 1942

Fatt & Katz 1951

epp,

mV

eppm

ax, m

V

Elektróda távolsága a véglemeztől, mm

7

Szinaptikus áramok

posztszinaptikus potenciál

feszültségzár alatt

posztszinaptikus áram

ingerlés

Fordulási (reverz) potenciál

8

Fordulási (reverz) potenciál

nAChR permeabilitás: Na+ és K+

+60 mV

-100 mV

=

IK = gK(Vm-EK)

INa = gNa(Vm-ENa)

IK = INa

Vm = Erev =gK

gNa + gK

+EK

gNa

gNa + gK

ENa

Posztszinaptikus serkentés és gátlás

A gátlás polaritása megváltoztatható

EPSP

IPSP

EPSC

IPSC

Csigaagy H-sejt

9

Compartmentalized GABA reversal potentials in pyramidal cells

-53.0 ± 4.8 mV-73.3 ± 3.0 mV resting MP:-68.7 ± 5.6 mV

Szabadics et al. Science (2006) 311, 234-236

Direct spike transmissionfrom axo-axonic cells

to pyramidal cells

Szabadics et al. Science (2006) 311, 234-236

10

Preszinaptikus gátlás

Példa: Rák neuromuszkuláris junkció(emlős példa: gerincvelőbe érkező primer érzőrostok végződésein)

GABAglutamát

Preszinaptikus mechanizmusok 1Kvantális transzmitter-felszabadulás

(Katz és munkatársai)

Miniatűr véglemezpotenciálok (mepp)

Poisson-eloszlás

Transzmissziós hibák

Transzmissziós események

Gauss-eloszlás

Spontán események (nincs ingerlés)

Kiváltott események (ingerléssel)

Elő

ford

ult e

sem

énye

k sz

áma

Nincs ingerlés

ingerléssel

ingerlés

11

Szinaptikus exocytosisTorpedo marmorataelektromos szervében(módosult ideg-izom kapcsolat)

Szinaptikus kvantum: vezikula10000 ACh molekula2000 nACh receptor

”Readily releasable pool” Transzmitter felszabadításra kész vezikulák

Preszinaptikus mechanizmusok 2

A preszinaptikus depolarizáció szükséges a transzmitter felszabadításához

Loligo óriásszinapszis

Preszinaptikus mechanizmusok 3

Hosszú ideig tartóingerlés

Elvezetés hosszú ideig tartó ingerlés alatt

ingerlés hossza

12

A preszinaptikus kalciumszint növekedés szükséges a transzmisszióhozPreszinaptikus mechanizmusok 4

A A transzmitterfelszabadulástranszmitterfelszabadulás molekuláris mechanizmusamolekuláris mechanizmusaPreszinaptikusPreszinaptikus mechanizmusok 5mechanizmusok 5

13

A transzmitter vezikulák felszabadulási mechanizmusai

Preszinaptikus mechanizmusok 6

Neurotranszmitterek és receptoraik 1Neurotranszmitter:

1. fiziológiai hatása megegyezik a preszinaptikus stimulációval2. felszabadul, ha a preszinaptikus neuron aktív3. hatása ugyanúgy blokkolható, mint a szinaptikus hatás

Felolsztás:1. Kismolekulájú neurotranszmitterek (~ 10 féle, részletesen tárgyaljuk)2. Neuropeptidek (> 40 féle)

a) von Euler and Gaddum 1931: substance Pantidiuretikus hormon,hipotalamikus release hormonok, bélhormonok

b) szomatikus szintézis propeptid formában,majd hasítás, axonális transzport:limitált mennyiség a szinapszisban

c) nagy affinitás a receptorokhoz (10-9 M hatékony)hatásukat metabotrop receptorok és szignalizációs útvonalak erősítikhatás termináció lassú: hosszan tartó hatás

d) neuromoduláció: társtranszmitterként is felszabadulnak

14

Neurotranszmitterek és receptoraik 2

nikotinos AChR-en át:gyors serkentés

Nikotin: agonistaAlfa-bungarotoxin:Irreverzibilis antagonista

Az acetilkolin körforgása a szinapszisban

Szerkezeti analógia agonisták és antagonisták között

15

Nikotinos AChR: példa a deszenzitizációra

muszkarinos AChR-en át: Lassú gátlás pl. a szívben

Gátolható pertussistoxinnalMuszkarin: agonista

Inside-out

16

Neurotranszmitterek és receptoraik 3

(gerincvel ő)

(agykéreg, gátlás rák és gy űrűsféreg izomban)

GABAA

GABAB

GABAAgyors gátlásioncsatorna (Cl-, HCO3

-)

GABABlassú gátlásmetabotróp, Gi2α

AC leszabályzásK+

(GIRK) csatornát nyit

17

Tamás et al. (2003) Science 299,1902

+CGP35348

bicuculline

pre

kontroll

kimosás

Az agykérgi neurogliaform sejt - piramissejt kapcsolatokat GABAA és GABAB receptorok közvetítik

10 µm

pyr

int

Neurotranszmitterek és receptoraik 4

(agykéreg és gerincvel ő, serkentés rák és rovar izomban)

Receptorok:Ionotróp

Metabotróp

NMDA Kainát AMPA(elnevezés agonistákalapján)

APV NBQX,UBP 301

NBQX,GYKI52466

antagonisták

Depolarizáció:Mg-blokk megszűnik

I. csoport II-III. csoport

cAMP

(Ca2+)

18

Metabotróp glutamát receptorIonotróp glutamát receptor(NMDA, AMPA, kainát alapszerkezet hasonló)

Neurotranszmitterek és receptoraik 4: biogén aminok

19

Neurotranszmitterek és receptoraik 5: egyéb kismolekulájútranszmitterek

axon initialsegment

Szinaptikus integráció 1

A neuronokra érkező serkentés hatékonysága függ a szinapszis és az akciós potenciál iniciációs zóna távolságától

20

Szinaptikus integráció 2: temporális szummáció

A bemenetek hatékonysága függ az időzítéstől és a membrán időállandójától

Egy vagy több bemenet időben átfedő válaszainak kölcsönhatása

serkentő + gátló

A bemenetek hatékonysága függ:a célsejten lévő elhelyezkedéstőlaz egymáshoz viszonyított pozíciótól

Szinaptikus integráció 3: térbeli szummáció

Konvergens bemenetek kölcsönhatása

21

Szinaptikus integráció 4

A kimeneti frekvencia arányos a depolarizáció mértékével(A küszöb alatti szummáció meghatározza a kimenetet)

Gerincvelői motoneuron

ModellShepherd (1999) in Fundamental Neuroscience, p.124.

A rákövetkező bemenetek hatékonysága csökken

?

Kísérlet1. A bemenetek forrásai2. A bemenetek sejtfelszíni helyzete3. A szinaptikus kapcsolatok száma

22

40 mV10 ms

1 mV

3D rekonstrukció

25 µm

Dendritikus távolság(µm)0 40 80 120

1

121 és 2

1 és 2

Konvergens EPSP-k lineáris összegződése:Szétszórt bemenetek

1 + 2

Preszinaptikus ingerlési ciklus

Posztszinaptikus válaszok

Tamás et al. (2002) Journal of Neuroscience 22, 740

2

121

Hatékony plusz bemenetekA rákövetkező bemenetek hatékonysága csökken

KísérletTamás et al. (2002) J Neurosci 22, 740

ModellShepherd (1999) in Fundamental Neuroscience, p.124.