Podsumowanie (neurofizjologia)
Sumowanie , które obejmuje zarówno sumowanie przestrzenne , jak i sumowanie czasowe , to proces, który określa, czy potencjał czynnościowy zostanie wygenerowany przez połączone efekty sygnałów pobudzających i hamujących , zarówno z wielu jednoczesnych wejść (sumowanie przestrzenne), jak iz powtarzających się wejść ( sumowanie czasowe). W zależności od sumy wielu pojedynczych wejść, sumowanie może osiągnąć napięcie progowe wyzwalające potencjał czynnościowy lub nie.
Neuroprzekaźniki uwalniane z zakończeń neuronu presynaptycznego należą do jednej z dwóch kategorii , w zależności od kanałów jonowych bramkowanych lub modulowanych przez receptor neuroprzekaźnika . Pobudzające neuroprzekaźniki powodują depolaryzację komórki postsynaptycznej, podczas gdy hiperpolaryzacja wytwarzana przez neuroprzekaźnik hamujący łagodzi działanie neuroprzekaźnika pobudzającego. Ta depolaryzacja nazywana jest EPSP lub pobudzającym potencjałem postsynaptycznym , a hiperpolaryzacja nazywana jest IPSP lub hamującym potencjałem postsynaptycznym .
Jedynymi wpływami, jakie neurony mogą wywierać na siebie nawzajem, są pobudzenie, hamowanie i – poprzez przekaźniki modulacyjne – wzajemne oddziaływanie na pobudliwość. Z tak małego zestawu podstawowych interakcji łańcuch neuronów może wytworzyć tylko ograniczoną odpowiedź. Ścieżka może być ułatwiona przez pobudzający wkład; usunięcie takiego wkładu oznacza utrudnienie . Szlak może być również zahamowany; usunięcie wejścia hamującego stanowi odhamowanie , które, jeśli w wejściu hamującym obecne są inne źródła pobudzenia, może zwiększyć pobudzenie.
Kiedy dany neuron docelowy otrzymuje dane wejściowe z wielu źródeł, dane wejściowe można zsumować przestrzennie, jeśli dane wejściowe docierają wystarczająco blisko w czasie, aby wpływ najwcześniej napływających danych wejściowych jeszcze nie zanikł. Jeśli neuron docelowy otrzymuje dane wejściowe z pojedynczego zakończenia aksonu i dane wejściowe pojawiają się wielokrotnie w krótkich odstępach czasu, dane wejściowe mogą sumować się czasowo.
Historia
Układ nerwowy po raz pierwszy zaczął być objęty zakresem ogólnych badań fizjologicznych pod koniec XIX wieku, kiedy Charles Sherrington zaczął testować właściwości elektryczne neuronów. Jego główny wkład w neurofizjologię polegał na badaniu odruchu kolanowego odruch i wnioski, które wyciągnął między dwiema wzajemnymi siłami wzbudzenia i hamowania. Postulował, że miejscem, w którym zachodzi ta odpowiedź modulacyjna, jest przestrzeń międzykomórkowa jednokierunkowej ścieżki obwodów nerwowych. Jako pierwszy przedstawił możliwą rolę ewolucji i hamowania neuronów, sugerując, że „wyższe ośrodki mózgu hamują pobudzające funkcje niższych ośrodków”.
Znaczna część dzisiejszej wiedzy na temat chemicznej transmisji synaptycznej została zebrana z eksperymentów analizujących skutki uwalniania acetylocholiny w połączeniach nerwowo-mięśniowych , zwanych także płytkami końcowymi . Do pionierów w tej dziedzinie należeli Bernard Katz i Alan Hodgkin, którzy wykorzystali gigantyczny akson kałamarnicy jako eksperymentalny model do badania układu nerwowego. Stosunkowo duży rozmiar neuronów pozwolił na zastosowanie elektrod o cienkich końcówkach do monitorowania elektrofizjologicznego zmiany, które oscylują w poprzek błony. W 1941 r. Wprowadzenie przez Katza mikroelektrod do nerwu kulszowego brzuchatego łydki żabich udek oświetliło pole. Wkrótce uogólniono, że potencjał płytki końcowej (EPP) wyzwala potencjał czynnościowy mięśni, który objawia się skurczami żabich udek.
Jednym z przełomowych odkryć Katza, w badaniach przeprowadzonych z Paulem Fattem w 1951 roku, było to, że spontaniczne zmiany potencjału błony komórek mięśniowych zachodzą nawet bez stymulacji presynaptycznego neuronu ruchowego. Te skoki potencjału są podobne do potencjałów czynnościowych, z wyjątkiem tego, że są znacznie mniejsze, zwykle poniżej 1 mV; nazwano je zatem miniaturowymi potencjałami płytki końcowej (MEPP). W 1954 r. wprowadzenie pierwszych mikroskopu elektronowego ujawniło, że te MEPP zostały utworzone przez pęcherzyki synaptyczne przenoszących neuroprzekaźniki. Sporadyczny charakter uwalniania ilościowych ilości neuroprzekaźnika doprowadził do „hipotezy pęcherzyków” Katza i del Castillo, która przypisuje kwantyzację uwalniania przekaźnika jego powiązaniu z pęcherzykami synaptycznymi. To również wskazało Katzowi, że generowanie potencjału czynnościowego może być wyzwalane przez sumowanie tych pojedynczych jednostek, z których każda odpowiada MEPP.
typy
W dowolnym momencie neuron może otrzymywać potencjały postsynaptyczne od tysięcy innych neuronów. Osiągnięcie progu i wygenerowanie potencjału czynnościowego zależy od sumy przestrzennej (tj. z wielu neuronów) i czasowej (z jednego neuronu) wszystkich sygnałów wejściowych w danym momencie. Tradycyjnie uważa się, że im bliżej ciała komórki neuronu znajduje się synapsa, tym większy ma wpływ na końcowe sumowanie. Dzieje się tak, ponieważ potencjały postsynaptyczne przemieszczają się przez dendryty , które zawierają niskie stężenie bramkowanych napięciem kanałów jonowych . Dlatego potencjał postsynaptyczny osłabia się, zanim dotrze do ciała komórki neuronu. Ciało komórki neuronowej działa jak komputer, integrując (dodając lub sumując) przychodzące potencjały. Potencjał netto jest następnie przekazywany do wzgórka aksonu , gdzie inicjowany jest potencjał czynnościowy. Innym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest sumowanie pobudzających i hamujących wejść synaptycznych. Sumowanie przestrzenne wejścia hamującego unieważni wejście pobudzające. Ten szeroko obserwowany efekt nazywany jest hamującym „przetaczaniem” EPSP.
Sumowanie przestrzenne
Sumowanie przestrzenne to mechanizm wywoływania potencjału czynnościowego w neuronie z wejściem z wielu komórek presynaptycznych. Jest to algebraiczne sumowanie potencjałów z różnych obszarów wejściowych, zwykle na dendrytach . Sumowanie pobudzających potencjałów postsynaptycznych zwiększa prawdopodobieństwo, że potencjał osiągnie potencjał progowy i wygeneruje potencjał czynnościowy, natomiast sumowanie hamujących potencjałów postsynaptycznych może uniemożliwić komórce osiągnięcie potencjału czynnościowego. Im bliżej wejścia dendrytycznego znajduje się wzgórek aksonu, tym większy potencjał będzie wpływał na prawdopodobieństwo wyzwolenia potencjału czynnościowego w komórce postsynaptycznej.
Podsumowanie czasowe
Sumowanie czasowe występuje, gdy wysoka częstotliwość potencjałów czynnościowych w neuronie presynaptycznym wywołuje potencjały postsynaptyczne, które sumują się ze sobą. Czas trwania potencjału postsynaptycznego jest dłuższy niż przerwa między przychodzącymi potencjałami czynnościowymi. Jeśli stała czasowa błony komórkowej jest wystarczająco długa, jak ma to miejsce w przypadku ciała komórki, wówczas wielkość sumowania jest zwiększona. Amplituda jednego potencjału postsynaptycznego w momencie rozpoczęcia następnego będzie algebraicznie sumować się z nim, generując większy potencjał niż poszczególne potencjały. Pozwala to potencjałowi błonowemu osiągnąć wartość progową do generowania potencjału czynnościowego.
Mechanizm
Neuroprzekaźniki wiążą się z receptorami, które otwierają lub zamykają kanały jonowe w komórce postsynaptycznej, tworząc potencjały postsynaptyczne (PSP). Potencjały te zmieniają szanse wystąpienia potencjału czynnościowego w neuronie postsynaptycznym. PSP są uważane za pobudzające, jeśli zwiększają prawdopodobieństwo wystąpienia potencjału czynnościowego i hamujące, jeśli zmniejszają szanse.
Glutaminian jako pobudzający przykład
Na przykład glutaminian neuroprzekaźnika jest głównie znany z wyzwalania pobudzających potencjałów postsynaptycznych (EPSP) u kręgowców . Eksperymentalna manipulacja może spowodować uwolnienie glutaminianu poprzez nietężcową stymulację neuronu presynaptycznego. Glutaminian następnie wiąże się z receptorami AMPA zawartymi w błonie postsynaptycznej powodując napływ dodatnio naładowanych atomów sodu. Ten wewnętrzny przepływ sodu prowadzi do krótkotrwałej depolaryzacji neuronu postsynaptycznego i EPSP. Podczas gdy pojedyncza depolaryzacja tego rodzaju może nie mieć większego wpływu na neuron postsynaptyczny, powtarzające się depolaryzacje spowodowane stymulacją o wysokiej częstotliwości mogą prowadzić do sumowania EPSP i przekroczenia potencjału progowego.
GABA jako przykład hamujący
W przeciwieństwie do glutaminianu, neuroprzekaźnik GABA działa głównie w celu wyzwalania hamujących potencjałów postsynaptycznych (IPSP) u kręgowców. Wiązanie GABA z receptorem postsynaptycznym powoduje otwarcie kanałów jonowych, które albo powodują napływ ujemnie naładowanych jonów chlorkowych do komórki, albo wypływ dodatnio naładowanych jonów potasu z komórki. Efektem tych dwóch opcji jest hiperpolaryzacja komórki postsynaptycznej, czyli IPSP. Sumowanie z innymi IPSP i kontrastującymi EPSP określa, czy potencjał postsynaptyczny osiągnie wartość progową i spowoduje wyzwolenie potencjału czynnościowego w neuronie postsynaptycznym.
EPSP i depolaryzacja
Dopóki potencjał błony jest poniżej progu wyzwalania impulsów, potencjał błony może sumować dane wejściowe. Oznacza to, że jeśli neuroprzekaźnik w jednej synapsie powoduje niewielką depolaryzację, jednoczesne uwolnienie przekaźnika w innej synapsie zlokalizowanej w innym miejscu tego samego ciała komórki sumuje się, powodując większą depolaryzację. Nazywa się to sumowaniem przestrzennym i jest uzupełniane przez sumowanie czasowe, w którym kolejne uwalnianie przekaźnika z jednej synapsy spowoduje postępującą zmianę polaryzacji, o ile zmiany presynaptyczne zachodzą szybciej niż tempo zaniku zmian potencjału błonowego w neuronie postsynaptycznym. Efekty neuroprzekaźników trwają kilka razy dłużej niż impulsy presynaptyczne, a tym samym umożliwiają sumowanie efektu. Zatem EPSP różni się od potencjałów czynnościowych w fundamentalny sposób: sumuje dane wejściowe i wyraża stopniowaną odpowiedź, w przeciwieństwie do odpowiedzi „wszystko albo nic” wyładowania impulsowego.
IPSP i hiperpolaryzacja
W tym samym czasie, gdy dany neuron postsynaptyczny otrzymuje i sumuje pobudzający neuroprzekaźnik, może również otrzymywać sprzeczne komunikaty, które nakazują mu zaprzestać strzelania. Te wpływy hamujące (IPSP) są pośredniczone przez hamujące układy neuroprzekaźników, które powodują hiperpolaryzację błon postsynaptycznych. Takie efekty są ogólnie przypisywane otwieraniu selektywnych kanałów jonowych, które umożliwiają albo wewnątrzkomórkowemu potasowi opuszczenie komórki postsynaptycznej, albo wejście zewnątrzkomórkowego chlorku. W obu przypadkach efekt netto polega na dodaniu do wewnątrzkomórkowej negatywności i przesunięciu potencjału błonowego dalej od progu generowania impulsów.
EPSP, IPSP i przetwarzanie algebraiczne
Kiedy EPSP i IPSP są generowane jednocześnie w tej samej komórce, odpowiedź wyjściowa zostanie określona przez względne siły wejść pobudzających i hamujących. Instrukcje wyjściowe są zatem określane przez to algebraiczne przetwarzanie informacji. Ponieważ próg wyładowania przez synapsę jest funkcją oddziałujących na nią salw presynaptycznych, a dany neuron może otrzymywać odgałęzienia z wielu aksonów, przechodzenie impulsów w sieci takich synaps może być bardzo zróżnicowane. Wszechstronność synapsy wynika z jej zdolności do modyfikowania informacji poprzez algebraiczne sumowanie sygnałów wejściowych. Późniejsza zmiana progu stymulacji błony postsynaptycznej może być wzmocniona lub zahamowana, w zależności od zaangażowanej substancji chemicznej przekaźnika i przepuszczalności jonów. W ten sposób synapsa działa jako punkt decyzyjny, w którym zbiegają się informacje i jest modyfikowana przez przetwarzanie algebraiczne EPSP i IPSP. Oprócz mechanizmu hamowania IPSP istnieje presynaptyczny rodzaj hamowania, który obejmuje albo hiperpolaryzację zablokowanego aksonu, albo trwałą depolaryzację; to, czy jest to pierwsze, czy drugie, zależy od konkretnych zaangażowanych neuronów.
Obecne badania
Mikroelektrody używane przez Katza i jemu współczesnych bledną w porównaniu z dostępnymi obecnie zaawansowanymi technologicznie technikami zapisu. Sumowanie przestrzenne zaczęło przyciągać wiele uwagi badawczej, gdy opracowano techniki, które umożliwiły jednoczesne rejestrowanie wielu loci na drzewie dendrytycznym. Wiele eksperymentów obejmuje wykorzystanie neuronów czuciowych, zwłaszcza neuronów optycznych, ponieważ stale włączają one zakres częstotliwości zarówno hamujących, jak i pobudzających sygnałów wejściowych. Współczesne badania sumowania neuronów koncentrują się na tłumieniu potencjałów postsynaptycznych na dendrytach i ciele komórkowym neuronu. Mówi się, że te interakcje są nieliniowe, ponieważ odpowiedź jest mniejsza niż suma indywidualnych odpowiedzi. Czasami może to być spowodowane zjawiskiem wywołanym przez zahamowanie tzw przetaczanie , czyli zmniejszenie przewodnictwa pobudzających potencjałów postsynaptycznych.
Hamowanie przetaczania jest pokazane w pracach Michaela Ariela i Naoki Kogo, którzy eksperymentowali z zapisem całej komórki na podstawowym jądrze wzrokowym żółwia. Ich praca wykazała, że przestrzenne sumowanie pobudzających i hamujących potencjałów postsynaptycznych powodowało przez większość czasu tłumienie odpowiedzi pobudzającej podczas odpowiedzi hamującej. Odnotowali również tymczasowe zwiększenie odpowiedzi pobudzającej występujące po osłabieniu. Jako kontrolę przetestowali tłumienie, gdy kanały wrażliwe na napięcie były aktywowane przez prąd hiperpolaryzacji. Doszli do wniosku, że tłumienie nie jest spowodowane hiperpolaryzacją, ale otwarciem kanałów receptorów synaptycznych powodującym zmiany przewodnictwa.
Potencjalne zastosowania terapeutyczne
Odnośnie stymulacji nocyceptywnej , sumowanie przestrzenne to zdolność do integracji bolesnych danych wejściowych z dużych obszarów, podczas gdy sumowanie czasowe odnosi się do zdolności do integracji powtarzalnych bodźców nocyceptywnych. Powszechny i długotrwały ból jest charakterystyczny dla wielu przewlekłych zespołów bólowych. Sugeruje to, że zarówno sumowanie przestrzenne, jak i czasowe są ważne w przewlekłych stanach bólowych. Rzeczywiście, poprzez eksperymenty ze stymulacją uciskową wykazano, że sumowanie przestrzenne ułatwia czasowe sumowanie bodźców nocyceptywnych, w szczególności bólu uciskowego. Dlatego jednoczesne ukierunkowanie zarówno na mechanizmy sumowania przestrzennego, jak i czasowego może przynieść korzyści w leczeniu przewlekłych stanów bólowych.