Souhrn (neurofyziologie) - Summation (neurophysiology)
Sumace , která zahrnuje jak prostorové, tak časové součty , je proces, který určuje, zda bude akční potenciál generován kombinovanými efekty excitačních a inhibičních signálů, a to jak z více simultánních vstupů (prostorové součty), tak z opakovaných vstupů ( časové shrnutí). V závislosti na součtu mnoha jednotlivých vstupů může nebo nemusí součet dosáhnout prahového napětí pro spuštění akčního potenciálu.
Neurotransmitery uvolněné z terminálů jednoho presynaptického neuronu spadají do jedné ze dvou kategorií , v závislosti na iontové kanály bránou nebo modulovaných receptorem neurotransmiterů . Excitační neurotransmitery produkují depolarizaci postsynaptických buněk, zatímco hyperpolarizace produkovaná inhibičním neurotransmiterem zmírní účinky excitačního neurotransmiteru. Tato depolarizace se nazývá EPSP nebo excitační postsynaptický potenciál a hyperpolarizace se nazývá IPSP nebo inhibiční postsynaptický potenciál .
Jediné vlivy, které na sebe neurony mohou mít, jsou excitace, inhibice a - prostřednictvím modulačních vysílačů - vzájemné ovlivňování excitability. Z tak malého souboru základních interakcí může řetězec neuronů vyvolat pouze omezenou odpověď. Dráhu lze usnadnit excitačním vstupem; odstranění takového vstupu představuje vyřazení . Dráha může být také inhibována; odstranění inhibičního vstupu představuje dezinhibici , která, pokud jsou v inhibičním vstupu přítomny jiné zdroje excitace, může zvýšit excitaci.
Když daný cílový neuron přijímá vstupy z více zdrojů, lze tyto vstupy prostorově sečíst, pokud vstupy dorazí dostatečně blízko v čase, že se vliv nejdříve přicházejících vstupů ještě nerozpadl. Pokud cílový neuron přijímá vstup z jednoho axonového terminálu a tento vstup se vyskytuje opakovaně v krátkých intervalech, vstupy se mohou dočasně sčítat.
Dějiny
Nervový systém poprvé začal být zahrnut v rámci obecných fyziologických studií na konci 19. století, kdy Charles Sherrington začal testovat elektrické vlastnosti neuronů. Jeho hlavní příspěvky k neurofyziologii zahrnovaly studium reflexu kolena a závěry, které učinil mezi dvěma vzájemnými silami excitace a inhibice. Postuloval, že místo, kde dochází k této modulační reakci, je mezibuněčný prostor jednosměrné dráhy neurálních obvodů. Nejprve představil možnou roli evoluce a nervové inhibice svým návrhem, že „vyšší centra mozku inhibují excitační funkce nižších center“.
Velká část dnešních znalostí o chemickém synaptickém přenosu byla získána z experimentů analyzujících účinky uvolňování acetylcholinu na nervosvalové spoje , nazývané také koncové destičky . K průkopníkům v této oblasti patřili Bernard Katz a Alan Hodgkin, kteří použili chobotnice obřího axonu jako experimentální model pro studium nervového systému. Relativně velká velikost neuronů umožňovala použití jemně zakončených elektrod ke sledování elektrofyziologických změn, které kolísají přes membránu. V roce 1941 Katzova implementace mikroelektrod v gastrocnemius ischiatickém nervu žabích nohou osvětlila pole. Brzy se zevšeobecnilo, že samotný potenciál koncové desky (EPP) spouští akční potenciál svalů, který se projevuje stahy žabích nohou.
Jedním z klíčových zjištění Katze ve studiích provedených s Paulem Fattem v roce 1951 bylo, že k spontánním změnám v potenciálu membrány svalových buněk dochází i bez stimulace presynaptického motorického neuronu. Tyto hroty potenciálu jsou podobné akčním potenciálům, kromě toho, že jsou mnohem menší, typicky menší než 1 mV; nazývali se tedy potenciály miniaturních koncových desek (MEPP). V roce 1954 zavedení prvních elektronově mikroskopických snímků postsynaptických terminálů odhalilo, že tyto MEPP byly vytvořeny synaptickými váčky nesoucími neurotransmitery. Sporadická povaha uvolňování kvantových množství neurotransmiteru vedla k „hypotéze vezikuly“ Katze a del Castilla, která přisuzuje kvantizaci uvolňování vysílače asociaci se synaptickými váčky. To také Katzovi naznačilo, že generování akčního potenciálu může být spuštěno součtem těchto jednotlivých jednotek, z nichž každý odpovídá MEPP.
Typy
V každém daném okamžiku může neuron obdržet postsynaptický potenciál od tisíců dalších neuronů. Zda je dosaženo prahu a generován akční potenciál, závisí na prostorovém (tj. Z více neuronů) a časových (z jednoho neuronu) součtu všech vstupů v daném okamžiku. Tradičně se má za to, že čím blíže je synapse k tělu buněk neuronu, tím větší je jeho vliv na konečné shrnutí. Důvodem je, že postsynaptické potenciály putují dendrity, které obsahují nízkou koncentraci napěťově řízených iontových kanálů . Postsynaptický potenciál proto zeslábne, než dosáhne těla neuronových buněk. Tělo neuronové buňky funguje jako počítač integrací (sčítáním nebo součtem) přicházejících potenciálů. Čistý potenciál je pak přenesen do pahorku axonu , kde je inicializován akční potenciál. Dalším faktorem, který je třeba vzít v úvahu, je součet excitačních a inhibičních synaptických vstupů. Prostorové sečtení inhibičního vstupu zruší excitační vstup. Tento široce pozorovaný účinek se nazývá inhibiční „posunování“ EPSP.
Prostorové shrnutí
Prostorová sumace je mechanismus vyvolání akčního potenciálu v neuronu se vstupem z více presynaptických buněk. Je to algebraické sčítání potenciálů z různých oblastí vstupu, obvykle na dendritech . Součet excitačních postsynaptických potenciálů zvyšuje pravděpodobnost, že potenciál dosáhne prahového potenciálu a vytvoří akční potenciál, zatímco součet inhibičních postsynaptických potenciálů může zabránit buňce dosáhnout akčního potenciálu. Čím blíže je dendritický vstup k pahorku axonu, tím více potenciál ovlivní pravděpodobnost odpálení akčního potenciálu v postsynaptické buňce.
Dočasné shrnutí
K časovému součtu dochází, když vysoká frekvence akčních potenciálů v presynaptickém neuronu vyvolá postsynaptické potenciály, které se navzájem sčítají. Trvání postsynaptického potenciálu je delší než interval mezi příchozími akčními potenciály. Pokud je časová konstanta buněčné membrány dostatečně dlouhá, jako je tomu v případě buněčného těla, množství součtu se zvýší. Amplituda jednoho postsynaptického potenciálu v časovém bodě, kdy začíná další, se s ním algebraicky shrne a vytvoří větší potenciál než jednotlivé potenciály. To umožňuje membránovému potenciálu dosáhnout prahu pro generování akčního potenciálu.
Mechanismus
Neurotransmitery se vážou na receptory, které otevírají nebo zavírají iontové kanály v postsynaptické buňce a vytvářejí postsynaptické potenciály (PSP). Tyto potenciály mění šance na akční potenciál vyskytující se v postsynaptickém neuronu. PSP jsou považovány za excitační, pokud zvyšují pravděpodobnost vzniku akčního potenciálu, a za inhibiční, pokud snižují šance.
Glutamát jako vzrušující příklad
O neurotransmiterovém glutamátu je například převážně známo, že u obratlovců spouští excitační postsynaptické potenciály (EPSP). Experimentální manipulace může způsobit uvolnění glutamátu netetanickou stimulací presynaptického neuronu. Glutamát se poté váže na receptory AMPA obsažené v postsynaptické membráně, což způsobuje příliv kladně nabitých atomů sodíku. Tento vnitřní tok sodíku vede ke krátkodobé depolarizaci postsynaptického neuronu a EPSP. Zatímco jediná depolarizace tohoto druhu nemusí mít na postsynaptický neuron velký vliv, opakované depolarizace způsobené vysokofrekvenční stimulací mohou vést k sumaci EPSP a k překročení prahového potenciálu.
GABA jako inhibiční příklad
Na rozdíl od glutamátu funguje neurotransmiter GABA u obratlovců hlavně na spouštění inhibičních postsynaptických potenciálů (IPSP). Vazba GABA na postsynaptický receptor způsobí otevření iontových kanálů, které buď způsobí příliv negativně nabitých chloridových iontů do buňky, nebo výboj kladně nabitých iontů draslíku z buňky. Účinek těchto dvou možností je hyperpolarizace postsynaptické buňky nebo IPSP. Součet s jinými IPSP a kontrastními EPSP určuje, zda postsynaptický potenciál dosáhne prahu a způsobí vystřelení akčního potenciálu v postsynaptickém neuronu.
EPSP a depolarizace
Dokud je membránový potenciál pod prahovou hodnotou pro vypalovací impulsy, může membránový potenciál sčítat vstupy. To znamená, že pokud neurotransmiter na jedné synapse způsobí malou depolarizaci, souběžné uvolnění vysílače na jiné synapse umístěné jinde na stejném těle buňky se sečte a způsobí větší depolarizaci. Toto se nazývá prostorové součty a je doplněno časovým součtem, kde postupné uvolňování vysílače z jedné synapsí způsobí progresivní změnu polarizace, pokud k presynaptickým změnám dojde rychleji, než se rychlost rozpadu mění v potenciálu membrány v postsynaptickém neuronu. Efekty neurotransmiteru trvají několikrát déle než presynaptické impulsy, a umožňují tak shrnutí účinku. EPSP se tedy od akčních potenciálů zásadním způsobem liší: sumarizuje vstupy a vyjadřuje odstupňovanou odezvu, na rozdíl od odezvy impulzního výboje buď úplně, nebo vůbec.
IPSP a hyperpolarizace
Ve stejné době, kdy daný postsynaptický neuron přijímá a sčítá excitační neurotransmiter, může také přijímat protichůdné zprávy, které mu říkají, aby vypnul střelbu. Tyto inhibiční vlivy (IPSP) jsou zprostředkovány inhibičními neurotransmiterovými systémy, které způsobují hyperpolarizaci postsynaptických membrán. Takové účinky jsou obecně přisuzovány otevření selektivních iontových kanálů, které umožňují buď intracelulárnímu draslíku opustit postsynaptickou buňku, nebo umožnění vstupu extracelulárního chloridu. V obou případech je čistým efektem přidání k intracelulární negativitě a posunutí membránového potenciálu dále od prahu pro generování impulsů.
EPSP, IPSP a algebraické zpracování
Když jsou EPSP a IPSP generovány současně ve stejné buňce, výstupní odezva bude určena relativními silami excitačních a inhibičních vstupů. Výstupní instrukce jsou tedy určeny tímto algebraickým zpracováním informací. Protože práh výboje přes synapsi je funkcí presynaptických salev, které na ni působí, a protože daný neuron může přijímat větve z mnoha axonů, může být průchod impulsů v síti takových synapsí velmi proměnlivý. Univerzálnost synapsí vyplývá z její schopnosti upravovat informace algebraickým součtem vstupních signálů. Následnou změnu prahu stimulace postsynaptické membrány lze zesílit nebo inhibovat v závislosti na zapojené chemické látce vysílače a iontových permeabilitách. Synapse tedy funguje jako rozhodovací bod, ve kterém se informace sbíhají, a je modifikován algebraickým zpracováním EPSP a IPSP. Kromě inhibičního mechanismu IPSP existuje presynaptický druh inhibice, který zahrnuje buď hyperpolarizaci na inhibovaném axonu, nebo trvalou depolarizaci; zda je to první nebo druhé, závisí na konkrétních zapojených neuronech.
Aktuální výzkum
Mikroelektrody používané Katzem a jeho současníky blednou ve srovnání s technologicky vyspělými technikami záznamu, které jsou dnes k dispozici. Prostorové sumaci se začala věnovat velká pozornost výzkumu, když byly vyvinuty techniky, které umožňovaly simultánní záznam více lokusů na dendritický strom. Mnoho experimentů zahrnuje použití senzorických neuronů, zejména optických neuronů, protože neustále obsahují různou frekvenci inhibičních i excitačních vstupů. Moderní studie souhrnu nervů se zaměřují na útlum postsynaptických potenciálů na dendrity a buněčné tělo neuronu. Tyto interakce jsou údajně nelineární, protože odpověď je menší než součet jednotlivých odpovědí. Někdy to může být způsobeno jevem způsobeným inhibicí nazývanou posun , což je snížená vodivost excitačních postsynaptických potenciálů.
Inhibice posunu je ukázána v práci Michaela Ariela a Naoki Kogo, kteří experimentovali se záznamem celých buněk na bazálním optickém jádru želvy. Jejich práce ukázala, že prostorové součty excitačních a inhibičních postsynaptických potenciálů způsobovaly útlum excitační reakce během inhibiční odpovědi většinu času. Rovněž zaznamenali dočasné zvýšení excitační reakce, ke kterému došlo po útlumu. Jako kontrola testovali útlum, když byly kanály citlivé na napětí aktivovány hyperpolarizačním proudem. Došli k závěru, že útlum není způsoben hyperpolarizací, ale otevřením synaptických receptorových kanálů způsobujících rozdíly ve vodivosti.
Potenciální terapeutické aplikace
Pokud jde o nociceptivní stimulaci , prostorová sumace je schopnost integrovat bolestivý vstup z velkých oblastí, zatímco časová sumace se týká schopnosti integrovat opakující se nociceptivní podněty. Rozšířená a dlouhotrvající bolest je charakteristická pro mnoho syndromů chronické bolesti. To naznačuje, že při chronických bolestivých stavech jsou důležité jak prostorové, tak časové souhrny. Experimenty se stimulací tlakem skutečně ukázaly, že prostorové součty usnadňují časové součty nociceptivních vstupů, konkrétně tlakové bolesti. Cílení na prostorové i časové součtové mechanismy současně může být prospěšné při léčbě chronických bolestivých stavů.