معلومة

كم من الوقت تستغرق النواقل العصبية لتنتشر عبر الشق المشبكي؟

كم من الوقت تستغرق النواقل العصبية لتنتشر عبر الشق المشبكي؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

تنتقل النواقل العصبية من الخلايا العصبية قبل المشبكية إلى المستقبلات الموجودة على الخلايا العصبية بعد التشابك عن طريق الانتشار عبر الفجوة بين هذين (الشق المشبكي). سؤالي هو ، كم من الوقت تستغرق النواقل العصبية لتنتشر من حافة الخلايا العصبية قبل المشبكية إلى المستقبلات الموجودة على الجانب الآخر؟

لقد رأيت قيمًا مختلفة عبر الإنترنت ، تتراوح من 0.05 مللي ثانية إلى 1 مللي ثانية. اي واحد هو الصحيح؟


ماذا يحدث للناقلات العصبية بعد انتقال المشبك ولماذا يجب أن يحدث هذا؟

أثناء النقل المتشابك ، تتفاعل الناقلات العصبية مع غرف الأيونات ، فتدخل في مواقع المستقبلات. هذا يغير شكل القناة ويسمح للأيونات بالمرور عبرها.

بمجرد فتح القناة (نوعًا ما مثل المفتاح) ، تنتشر مرة أخرى عبر المشبك إلى الخلايا العصبية المرسلة. يعبرون الغشاء مرة أخرى عبر ناقل عصبي. هذا هو المعروف باسم reuptake.

يعتبر الاسترداد مهمًا لأنه يساعد في إعادة تدوير النواقل العصبية ولكنه يتحكم أيضًا في مدة استمرار الإشارة (الناتجة عن إطلاق ناقل عصبي). هذا مهم ، لأن بعض ردود الفعل لا تحتاج إلى أن تكون نشطة لفترات طويلة من الزمن (على سبيل المثال ، إذا شممت رائحة دخان وبدأت بالذعر ، فأنت لا تريد أن تظل مذعورًا حتى عندما تدرك أنه مجرد بعض الخبز المحمص المحترق).

في بعض الأحيان ، قد يواجه الجسم صعوبات في إعادة امتصاصه ويمكن أن يلعب هذا دورًا في العديد من الاضطرابات الشائعة مثل الاكتئاب والفصام.

على سبيل المثال ، في حالة الاكتئاب غالبًا ما يكون هناك اختلال في توازن السيروتونين والنورادرينالين والدوبامين. إذا ركزنا على الدوبامين (وهو ناقل عصبي يساهم في الإحساس بالسعادة أو السعادة) واعتبرنا أنه في حالة الاكتئاب ، غالبًا ما يكون هناك مستوى منخفض من هذا ، يصبح من الواضح أنه من الصعب جدًا على شخص مصاب بالاكتئاب الشعور " سعيدة".

ومع ذلك ، هذا يعني أيضًا أنه يمكننا إيجاد طرق لعلاج الاكتئاب عن طريق تسوية المستويات. قد تفعل بعض الأدوية ذلك عن طريق منع إعادة امتصاص هذه الناقلات العصبية "السعيدة" (غالبًا السيروتونين) ، وبالتالي السماح لها بإرسال رسالة "كن سعيدًا" مرة أخرى!

ومن الجدير بالذكر أن بعض النواقل العصبية لا يتم امتصاصها ، وبدلاً من ذلك تنتشر أو تتفكك بواسطة الإنزيمات.

هذا موضح بمزيد من التفصيل في الفيديو أدناه ، وهو أمر يستحق المشاهدة إذا كان لديك عشر دقائق إضافية:

لقد كتبت أيضًا إجابة تتعلق بماهية المشابك ، والتي يمكن العثور عليها هنا. آمل أن يساعدني هذا في إخباري إذا كان بإمكاني فعل أي شيء آخر :)


2. الطرق

تم استخدام مثال لحالة المشبك القشري المتكئ لتوضيح الإطار الحسابي المقترح. تم تقييد نموذج الانتشار الجزيئي باستخدام البيانات البيولوجية ، بما في ذلك نطاقات المعلمات المعروفة (انظر الجدول 1).

معامل . قيمة النموذج أ. نطاق القيم (الاقتباس).
معامل الإنتشار (ميكرومترم 2 / مللي ثانية) 0.085 0.05–0.75 (Rusakov & amp Kullmann، 1998 Saftenku، 2005)
xc- (ملم ساعة −1) 17 ب 5-50 (بيكر وآخرون ، 2003)
ديناميات AMPA / NMDA
أمبا
كC0C1/كC1C0، (M −1 s −1) / (s −1) 4.59 ×10 6 /4.26 ×10 3 , (Jonas، Major، & amp Sakmann، 1993 Franks et al.، 2002 Attwell & amp Gibb، 2005)
كC1C2/كC2C1، (M −1 s −1) / (s −1) 2.84 ×10 3 /3.26 ×10 3 ,
كC2 يا/كOC2، (ق -1) / (ق -1) 4.24 × 10 3 /900,
كC1C3/كC3C1، (ق -1) / (ق -1) 2.89 × 10 3 /39.2,
كC3C4/كC4C3، (M −1 s −1) / (s −1) 1.27 × 10 6 /45.7,
كC2C4/كC4C2، (ق -1) / (ق -1) 172/0.727,
كC4C5/كC5C4، (ق -1) / (ق -1) 16.8/190.4,
كOC5/كC5 يا (ق -1) / (ق -1) 17.7/4.0
NMDA
كC0C1/كC1C0، (M −1 s −1) / (s −1) 2.0 × 5.0 × 10 6 /4.7, (Lester & amp Jahr، 1992 Franks et al.، 2002 Attwell & amp Gibb، 2005)
كC1C2/كC2C1، (M −1 s −1) / (s −1) 5.0 × 10 6 /2.0 × 4.7,
كC2 يا/كOC2، (ق -1) / (ق -1) 46.5/91.6,
كC2C3/كC3C2 (ق -1) / (ق -1) 8.4/1.8
ديناميات الناقل
XAG (جزيئات /ميكرومترم 2) ج 2500-10000 (Bergles & amp Jahr، 1997 Lehre & amp Danbolt، 1998)
ك1 (M −1 مللي ثانية −1) /ك−1 (مللي ثانية −1) /ك2 (مللي ثانية −1) 10 4 /0.2/0.1 10 4 /0.2/0.1 (Lehre & amp Rusakov، 2002)
تحرير المعلمات
عدد الجزيئات في كل إطلاق 22,000 4،700-80،000 (Bruns & amp Jahn، 1995)
كد قيمة mGluR2 / 3 (ميكرومترم) 0.187 0.1–0.3 (Schoepp & amp True، 1992)
احتمالية الإطلاق القصوى 0.4 (حد أقصى) 0.1–0.5 (Billups، Graham، Wong، & amp Forsythe، 2005 Volynski، Rusakov، & amp Kullmann، 2006)
تم استخدام احتمال الإطلاق (تم ضبطه للعمل بالقرب من كد قيمة mGluR) 0.12 (القاعدية) (استنادًا إلى الاستيفاء اللوغاريتمي الخطي من القيم المذكورة في Xi، Baker، Shen، Carson، & amp Kalivas، 2002)
ترددات إطلاق النار قبل المشبكي
تردد الإطلاق (هرتز القاعدية) 1–2 1-3 (ترانثام ، وزوملينسكي ، ومكفارلاند ، وكاليفاس ، وأمبير لافين ، 2002)
تردد إطلاق النار (Hz مكافأة طبيعية البحث) 12–15 12-15 (Chang، Zhang، Janak، & amp Woodward، 1997 Sun & amp Rebec، 2006)
المعلمات الهندسية
متوسط ​​الفجوة خارج الخلية (نانومتر) 40 34-68 (ثورن وأمبير نيكلسون ، 2006)
المسافة بين المشابك (ميكرومترم) 2 2-20 (روساكوف ، 2001)
معامل . قيمة النموذج أ. نطاق القيم (الاقتباس).
معامل الإنتشار (ميكرومترم 2 / مللي ثانية) 0.085 0.05–0.75 (Rusakov & amp Kullmann، 1998 Saftenku، 2005)
xc- (ملم ساعة −1) 17 ب 5-50 (بيكر وآخرون ، 2003)
ديناميات AMPA / NMDA
أمبا
كC0C1/كC1C0، (M −1 s −1) / (s −1) 4.59 ×10 6 /4.26 ×10 3 , (Jonas، Major، & amp Sakmann، 1993 Franks et al.، 2002 Attwell & amp Gibb، 2005)
كC1C2/كC2C1، (M −1 s −1) / (s −1) 2.84 ×10 3 /3.26 ×10 3 ,
كC2 يا/كOC2، (ق -1) / (ق -1) 4.24 × 10 3 /900,
كC1C3/كC3C1، (ق -1) / (ق -1) 2.89 × 10 3 /39.2,
كC3C4/كC4C3، (M −1 s −1) / (s −1) 1.27 × 10 6 /45.7,
كC2C4/كC4C2، (ق -1) / (ق -1) 172/0.727,
كC4C5/كC5C4، (ق -1) / (ق -1) 16.8/190.4,
كOC5/كC5 يا (ق -1) / (ق -1) 17.7/4.0
NMDA
كC0C1/كC1C0، (M −1 s −1) / (s −1) 2.0 × 5.0 × 10 6 /4.7, (Lester & amp Jahr، 1992 Franks et al.، 2002 Attwell & amp Gibb، 2005)
كC1C2/كC2C1، (M −1 s −1) / (s −1) 5.0 × 10 6 /2.0 × 4.7,
كC2 يا/كOC2، (ق -1) / (ق -1) 46.5/91.6,
كC2C3/كC3C2 (ق -1) / (ق -1) 8.4/1.8
ديناميات الناقل
XAG (جزيئات /ميكرومترم 2) ج 2500-10000 (Bergles & amp Jahr، 1997 Lehre & amp Danbolt، 1998)
ك1 (M −1 مللي ثانية −1) /ك−1 (مللي ثانية −1) /ك2 (مللي ثانية −1) 10 4 /0.2/0.1 10 4 /0.2/0.1 (Lehre & amp Rusakov، 2002)
تحرير المعلمات
عدد الجزيئات في كل إطلاق 22,000 4،700-80،000 (Bruns & amp Jahn، 1995)
كد قيمة mGluR2 / 3 (ميكرومترم) 0.187 0.1–0.3 (Schoepp & amp True، 1992)
احتمالية الإطلاق القصوى 0.4 (حد أقصى) 0.1–0.5 (Billups، Graham، Wong، & amp Forsythe، 2005 Volynski، Rusakov، & amp Kullmann، 2006)
تم استخدام احتمال الإطلاق (تم ضبطه للعمل بالقرب من كد قيمة mGluR) 0.12 (القاعدية) (استنادًا إلى الاستيفاء اللوغاريتمي الخطي من القيم المذكورة في Xi، Baker، Shen، Carson، & amp Kalivas، 2002)
ترددات إطلاق النار قبل المشبكي
تردد الإطلاق (هرتز القاعدية) 1–2 1-3 (ترانثام ، وزوملينسكي ، ومكفارلاند ، وكاليفاس ، وأمبير لافين ، 2002)
تردد إطلاق النار (Hz مكافأة طبيعية البحث) 12–15 12-15 (Chang، Zhang، Janak، & amp Woodward، 1997 Sun & amp Rebec، 2006)
المعلمات الهندسية
متوسط ​​الفجوة خارج الخلية (نانومتر) 40 34-68 (ثورن وأمبير نيكلسون ، 2006)
المسافة بين المشابك (ميكرومترم) 2 2-20 (روساكوف ، 2001)

القيم المستخدمة لملء التكوين في الشكل 1.

كثافة السطح (جزيئات /ميكرومترم 2) من xc- على السطح الخارجي للغمد الدبقي ، G3 على النحو التالي لحالات الضبط: 111 جزيء المقابلة من xc-471.

كثافة السطح (جزيئات /ميكرومترم 2) من XAG وزعت على النحو التالي لحالات الضبط: G1- 1700 ، جي2–400 ، و G3-400 جزيء مطابق لـ XAG: G1—2771 ، ج2–1490 ، و G3—2708.

2.1. مدخلات النموذج.

2.1.1. تردد إطلاق النار والجزيئات لكل إصدار.

بالنسبة لحالة مثال المشبك القشري الجلوتاماتيرجي المتكئ ، تراوح تردد إطلاق ما قبل المشبك الأساسي من 1 هرتز إلى 3 هرتز (ترانثام ، وزوملينسكي ، ومكفارلاند ، وكاليفاس ، وأمبير لافين ، 2002) ، مع ترددات اندفاعية تصل إلى 15 هرتز أثناء الحالات السلوكية الطبيعية التي تسعى إلى الحصول على المكافآت (Chang، Zhang، Janak، & amp Woodward، 1997 Sun & amp Rebec، 2006). يعتمد إطلاق الناقل العصبي من طرف عصبي أثناء الإفراز الخلوي على حجم الخصائص الحويصلية المشبكية مثل الحجم وتركيز الناقل العصبي والعدد المتاح والمعلمات الهندسية مثل قطر مسام الاندماج (Danbolt ، 2001). بالنسبة للمشابك العامة ، تختلف الجزيئات لكل إصدار عادةً من 4000 إلى 80000 (Bruns & amp Jahn ، 1995) ، وكان هذا هو النطاق المستخدم في الدراسة (انظر الجدول 1).

2.1.2. تنظيم المستقبل الذاتي لاحتمالية الإطلاق.

يتم تنظيم احتمال الإطلاق بعد تحفيز المستقبلات الذاتية قبل المشبكي (على سبيل المثال ، mGluR2 / 3 – glutamate Billups ، Graham ، Wong ، & amp Forsythe ، 2005) ، والتي تقع خارج الشق المشبكي (Alagarsamy، Sorensen، & amp Conn، 2001). يتراوح احتمال أن ينتج عن جهد الفعل إطلاق حويصلي من & lt0.1 إلى 1 (Murthy & amp Sejnowski ، 1997). بالنسبة للحالة النموذجية التي تم النظر فيها ، كشف ربط GTPγS أن إشارات البروتين G عن طريق تحفيز mGluR2 / 3 زادت كلوغاريتم لجرعة ناهض (Xi et al. ، 2002) وبالتالي ، تم افتراض أن العلاقة بين احتمالية الإطلاق والنسبة المئوية لشغل المستقبلات الذاتية هي لوغاريتمية . تم تعريف النسبة المئوية للإشغال على أنها نسبة عدد mGluR2 / 3 التي يتم تنشيطها بواسطة جزيئات الغلوتامات المنتشرة في النموذج إلى العدد الإجمالي لـ mGluR2 / 3 الموجود. باستخدام العلاقة بين احتمال الإطلاق والنسبة المئوية للإشغال ، تم نمذجة وظيفة مستقبلات mGluR2 / 3 كتغيير في احتمالية الإطلاق من 0.12 (قاعدية) إلى 0.10 (السعي وراء المكافأة الطبيعية ، انظر الجدول 1). تم تحديد احتمال الإطلاق بشكل متكرر لتلبية قيود النموذج ، كما تمت مناقشته لاحقًا. وبالتالي ، أدى كل جهد فعل في النموذج إلى إطلاق فوري للجزيئات في الشق. على سبيل المثال ، تردد إطلاق النار 2 هرتز كان له احتمال إطلاق 0.12 في علبة التحكم القاعدية ، وفي المتوسط ​​، نتج عن حدث إطلاق كل 4.17 ثانية.

2.1.3. مستقبلات Ionotropic.

تم توطين المستقبلات المشبكية (AMPA و NMDA) بشكل مشترك في الشق مع نسبة AMPA / NMDA تبلغ 0.81 ± 0.33 (ن = 17 يعني ± sd بيانات غير منشورة) بناءً على أقصى ارتفاع ذروة للتيار الذي تم الحصول عليه أثناء الظروف القاعدية في النواة المتكئة. كان هذا في نطاق التقارير السابقة التي قامت بقياس نسبة AMPA / NMDA في شرائح الدماغ المتكئة (Thomas، Beurrier، Bonci، & amp Malenka، 2001 Wolf et al.، 2005 Kourrich، Rothwell، Klug، & amp Thomas، 2007 Conrad et al.، 2008).

2.1.4. تعريف.

إن انتشار الناقل العصبي في ECS معقد بسبب عدة عوامل ، مثل الهندسة الدبقية ، وربط المستقبلات ، وامتصاص الناقل ، واللزوجة ، ودرجة الحرارة ، والتغير في الهيكل مع مرور الوقت (Nicholson ، 2001 Franks et al. ، 2002 Hrabe ، Harbetova ، & amp Segeth ، 2004 Sykova ، 2004 Diamond ، 2005 Saftenku ، 2005) ، والتغيير في الخصائص المحلية مع علم الأمراض (على سبيل المثال ، جزء الحجم Sykova ، 1997). يتميز الانتشار في العصب المسامي عادةً بكسر الحجم α (مساحة فارغة / إجمالي حجم الأنسجة) والتعرج λ (عائق أمام الانتشار تفرضه الحدود المحلية أو اللزوجة المحلية Nicholson ، 2001). يقدر حجم الكسر α في أنسجة المخ بحوالي 0.2 (Nicholson & amp Sykova ، 1998) بينما يقدر التعرج في النطاق من 1.2 إلى 2.4 بناءً على قياسات الانتشار على مسافة 100 ميكرومترم إلى 300 ميكرومترم (نيكلسون ، 2001). ومع ذلك ، فإن التقديرات التجريبية لمعاملات الانتشار (D) في المنطقة المحيطة بالمشبك (& lt1 ميكرومترمتر من الشق) عن المشابك مع الخلايا الدبقية المعبأة بإحكام (Rusakov & amp Kullmann ، 1998 Hrabe et al. ، 2004). ومن ثم ، في النموذج D المقترح تم تحديده بشكل متكرر في النطاق ، 0.05 ميكرومترم 2 / مللي ثانية إلى 0.41 ميكرومترم 2 / مللي ثانية (Saftenku ، 2005 انظر الجدول 1) لتلبية قيود النموذج الموصوفة لاحقًا.

2.1.5. ناقلات الغلوتامات.

تعمل الناقلات الدبقية (XAG) على تعديل انتقال الغلوتامات عن طريق تنظيم وصول الناقل العصبي إلى مستقبلات الغلوتامات وإلى ECS ، وبالتالي الحفاظ على تدرجات الناقل العصبي المناسبة (Danbolt، 2001 Zheng et al.، 2008 Pendyam et al.، 2009). XAG الموجودة على الأغشية الدبقية (Danbolt ، 2001) لها كثافة سطحية تتراوح من 2500 إلى 10000 جزيء /ميكرومترم 2 (Bergles & amp Jahr، 1997 Lehre & amp Danbolt، 1998). بالنسبة للنموذج الذي تم فحصه هنا ، تم تحديد كثافة السطح المكافئة لـ XAG بشكل متكرر ضمن النطاق المذكور لتلبية قيود النموذج المدرجة في الجدول 2.

. مراقبة . كوكايين.
معامل (ميكرومترم). بصل. المكافآت الطبيعية. بصل. البحث عن المخدرات.
غلومزامنة0.1 0.1 - -
(باتنو وأمبير ماير ، 1990) (باتنو وأمبير ماير ، 1990)
[غلو]mGluR0.1–0.3 0.1–0.3 - -
(Schoepp & amp True، 1992) (Schoepp & amp True، 1992)
[غلو]السابق5.6 ± 1.0 5.6 ± 1.0 2.89 ± 0.34 13.3 ± 1.4
(بيكر وآخرون ، 2003) (بيكر وآخرون ، 2003) (Szumlinski et al.، 2006 McFarland، Lapish & amp Kalivas، 2003 McFarland، Davidge، Lapish، & amp Kalivas، 2004)
تقديرات النموذج بترددات إطلاق متفاوتة باستخدام معلمات التحكم والكوكايين متوسطها عبر 10 تجارب
[غلو]مزامنة0.16 0.19 0.28 1.33
[غلو]mGluR0.21 0.22 0.32 1.51
[غلو]السابق4.79 ± 0.04 5.32 ± 0.06 3.29 ± 0.04 12.50 ± 0.05
. مراقبة . كوكايين.
معامل (ميكرومترم). بصل. المكافآت الطبيعية. بصل. البحث عن المخدرات.
غلومزامنة0.1 0.1 - -
(باتنو وأمبير ماير ، 1990) (باتنو وأمبير ماير ، 1990)
[غلو]mGluR0.1–0.3 0.1–0.3 - -
(Schoepp & amp True، 1992) (Schoepp & amp True، 1992)
[غلو]السابق5.6 ± 1.0 5.6 ± 1.0 2.89 ± 0.34 13.3 ± 1.4
(بيكر وآخرون ، 2003) (بيكر وآخرون ، 2003) (Szumlinski et al.، 2006 McFarland، Lapish & amp Kalivas، 2003 McFarland، Davidge، Lapish، & amp Kalivas، 2004)
تقديرات النموذج بترددات إطلاق متفاوتة باستخدام معلمات التحكم والكوكايين متوسطها عبر 10 تجارب
[غلو]مزامنة0.16 0.19 0.28 1.33
[غلو]mGluR0.21 0.22 0.32 1.51
[غلو]السابق4.79 ± 0.04 5.32 ± 0.06 3.29 ± 0.04 12.50 ± 0.05

2.1.6. مبادل السيستين الجلوتامات.

يمكن أن تختلف التركيزات المقدرة للغلوتامات خارج الخلية من 25 نانومتر (Herman & amp Jahr، 2007) إلى 5 ميكرومترم (بيكر وآخرون ، 2003). أظهرت التركيزات خارج المشبكية في الجسم الحي التي تم تقييمها بواسطة التحليل الدقيق أن غالبية الغلوتامات خارج الشق المشبكي ليست من أصل متشابك (Timmerman & amp Westerink، 1997 Melendez، Vuthiganon، & amp Kalivas، 2005). أيضًا ، الغلوتامات خارج الخلية في شرائح الأنسجة وتجارب زراعة الخلايا جزئيًا من أصل غير مشبكي (Haydon، 2001 Le Meur، Galante، Anulo، amp Audinat، 2007). في حين تم اقتراح عدد من مصادر الغلوتامات غير المشبكية خارج الخلية (Danbolt، 2001 Haydon، 2001 Baker et al.، 2003 Cavelier، Hamann، Rossi، Mobbs، & amp Attwell، 2005) ، فإن الغلوتامات خارج الخلية المقاسة بالديلزة الدقيقة في المتكئات تنشأ بشكل أساسي من تبادل السيستين - الجلوتامات (xc- Xi et al. ، 2002 Baker et al. ، 2003). كان معدل إنتاج xc- في حدود 5-50 ملي مولار ساعة -1 (انظر أيضًا Pendyam et al. ، 2009) وتم تقديره بشكل تكراري عن طريق تغيير كثافة السطح لـ xc- على الدبقية لتلبية قيود النموذج ، كما تمت مناقشته لاحقًا (انظر الجدول 1).

2.2. التكيفات العصبية التي يسببها الكوكايين.

يؤدي تناول الكوكايين المزمن إلى عدم الاستقرار في الغلوتامات خارج الخلية في النواة المتكئة ، وهي نواة دماغية مهمة لمكافأة الكوكايين والانتكاس (Koob & amp Le Moal ، 2001 Kalivas et al. ، 2005). تُظهر الجرذان المسحوبة من تعاطي الكوكايين المزمن خللًا في تنظيم الغلوتامات خارج الخلية في النواة المتكئة ويرجع ذلك جزئيًا إلى انخفاض إشارات xc و mGluR2 / 3 (Baker et al. ، 2003). أظهرت قياسات التحاليل الدقيقة خلال ظروف البحث عن الأدوية فيضانًا كبيرًا من الغلوتامات المشبكية (McFarland et al. ، 2003 ، 2004). تضمنت التغييرات الأخرى تغييرات في ما يلي: إطلاق الغلوتامات (McFarland et al. ، 2003) ، وإشارات الجلوتامات بعد المشبكي (Conrad et al. ، 2008) ، ومستقبلات الغلوتامات الأيضية من المجموعة الثانية (mGluR2 / 3 Xi et al. ، 2002) ، و AMPA / نسبة NMDA. بناءً على هذه النتائج التجريبية ، تم تقليل إنتاج xc بنسبة 50 ٪ ، وتم تصميم وظيفة مستقبلات mGluR2 / 3 كتغيير في احتمال الإطلاق من 0.32 (الكوكايين القاعدية) إلى 0.30 (البحث عن عقار الكوكايين) ، وكانت نسبة AMPA / NMDA تغيرت إلى 1.15 ± 0.41 (ن = 12 بيانات غير منشورة). من خلال دمج تبادل الغلوتامات السيستين كموقع إطلاق غير مشبكي للجلوتامات ، Pendyam et al. (2009) كان قادرًا على إظهار كيف تؤثر التكيفات العصبية التي يسببها الكوكايين على انتقال الغلوتامات في المشابك الغلوتاماتيكية المتكئة وتنبأ بتقليل التنظيم الناجم عن الكوكايين المكتشف لاحقًا لناقل الغلوتامات الدبقي (Knackstedt et al. ، 2010). تم استخدام النهج العشوائي أيضًا للتحقق من هذه النتيجة.

2.3 تطوير النموذج العشوائي.

تم إنشاء نموذج الانتشار الجزيئي العشوائي باستخدام برنامج MCell (الإصدار 3.1.812) ، وهو محاكي عام لمونت كارلو مصمم لدراسات الفيزيولوجيا الدقيقة الخلوية (Stiles et al. ، 1996 Stiles & amp Bartol ، 2001 Kerr et al. ، 2008). تم إنشاء نموذج واقعي مكاني ثلاثي الأبعاد لمشبك القشرة المتكئة باستخدام برنامج Blender (www.blender.org) ، وهو عبارة عن حزمة نمذجة ورسوم متحركة مفتوحة المصدر يمكنها تصدير ملفات لغة وصف النموذج (MDL) إلى MCell. تُستخدم ملفات MDL لتحديد أنواع الجزيئات في النموذج ، وثوابت انتشارها ، والمواقع الأولية ، والتفاعلات ، وقياس العناصر الكيميائية (Czech، Dittrich، & amp Stiles، 2009). لتسهيل العرض المرئي والتحقق من خلال المحاكاة المتحركة ، تقوم MCell بتصدير الكائنات الشبكية والجزيئات ومواضع مواقع المستقبلات وحالاتها إلى برنامج DReAMM (www.mcell.psc.edu) بتنسيق مناسب ، مع تسجيل مواضع الجزيئات في كل خطوة زمنية . يتطلب هذا PSC DX ، المشتق من OpenDX ولكنه محسّن في عدة جوانب. يسمح النموذج الذي تم تطويره في MCell بدمج الآليات والحركية والسلوكيات العشوائية على المستوى الجزيئي ، مع التنظيم والوظيفة الهيكلية على المستوى الخلوي.

تم بناء النموذج الهندسي التمثيلي في السيليكو مع وجود شبكات (أسطح هندسية) عاكسة للجزيئات المنتشرة. تم تثليث الشبكات التي تم ملؤها بأنواع مختلفة من جزيئات السطح (على سبيل المثال ، mGluR2 / 3 ، XAG) أولاً ، وتم تجانب كل عنصر باستخدام التقسيم الثنائي المركز. تم تحديد عدد كبير من التفاعلات ثنائية الجزيئات مع ثوابت المعدل المصاحبة للتحقيق في شغل المستقبلات واستتباب الفتح والامتصاص والناقل العصبي.

تتألف هندسة حالة المثال القشرية المتكئة (انظر الشكل 1) من مشابك محاطة بتجمعات من أغلفة دبقية مبسطة (Gأنا) بمسافة مسامية بينهما (Rusakov ، 2001) كما لوحظ في الجسم الحي (Rusakov & amp Kullmann ، 1998). تم تصميم التكوين في الشكل 1 بمتوسط ​​فجوة مسامية تبلغ 40 نانومتر (Thorne & amp Nicholson ، 2006) بين الأغماد الدبقية غير المنفذة (G1-3). كان سمك كل غمد دبقي 100 نانومتر (Rusakov ، 2001) بناءً على الحد الأدنى لعرض الملامح الدبقية التي لوحظت في دراسات التصوير المجهر الإلكتروني. كان هيكل الغمد الدبقي الفردي مشابهًا لما تم الإبلاغ عنه سابقًا (Rusakov ، 2001 Pendyam et al. ، 2009) ولكن الأغماد المتعددة (G1-3) تم تكوينه بشكل متكرر لتلبية قيود النموذج المدرجة في الجدول 2. تمت تعبئة الأسطح ما بعد المشبكي للشق المشبكي (الارتفاع: 30 نانومتر) بمستقبلات مؤثرات شاردة (AMPA و NMDA). تم تحديد مستقبلات الجلوتامات الأيضية (mGluR2 / 3) في φ = تم توزيع 20 درجة حول الطرف قبل المشبكي ، وناقلات الغلوتامات الدبقية ، XAG ، على سطح الغمد الدبقي (G1-3 انظر الشكل 1). بناءً على الدراسات التي تشير إلى أن أعلى كثافة لـ XAG كانت أقرب إلى المشبك (Danbolt ، 2001 Lehre & amp Danbolt ، 1998) ، G1 كان لديه أعلى كثافة سطحية لـ XAG (انظر الجدول 1). تم تصميم مواقع الإطلاق غير المشبكية للجلوتامات ، أي مبادل الغلوتامات السيستين ، xc- على أنها تقع على السطح الخارجي للغمد الدبقي G3. ما وراء G3، احتوت ECS المسامية على صخور دبقية موضوعة بشكل عشوائي بأبعاد مختلفة بدون XAG أو xc المأهولة بالسكان. تباينت تكوينات الأغلفة والصخور الدبقية في النموذج بشكل متكرر للحصول على جزء حجمي يبلغ حوالي 0.23 (Sykova ، 2004). علاوة على ذلك ، تم العثور على العدد الإجمالي للأشواك على طول المقطع التغصني حوالي 10 أشواك / 10 ميكرومترم (روبنسون وأمبير كولب ، 1999). بافتراض أن 50 ٪ من هؤلاء لديهم نتوءات من قشرة الفص الجبهي (PFC) ، يمكن أن يكون لكل مشبك متوسط ​​مسافة بين المشبكي 1 ميكرومترم. وبالتالي ، تم فرض شرط حدود عدم التدفق على الحافة الخارجية للنموذج (تقريبًا 1 ميكرومترm من حافة المشبك) بحيث لا تدخل جزيئات الحدود الخارجية أو تغادرها ، وبالتالي تحاكي المشابك المجاورة المتطابقة.

التعفن هو معلمة مركبة تحتوي على مكون هندسي مهم ، على الرغم من أن العوامل الأخرى مثل اللزوجة الخلالية قد تساهم (Tao ، Tao ، & amp Nicholson ، 2005). ومع ذلك ، في محاكي MCell ، لا يتم الجمع بين المكونات الهندسية واللزجة للانحراف. معامل انتشار أقل من الماء (& lt1 ميكرومترم 2 / مللي ثانية) إلى السحب اللزج المجهري على جزيء منتشر في المقاييس المكانية الدقيقة ذريًا. سيشمل ذلك تفاعلات الجزيء مع البروتينات والألياف الدقيقة في ECS. تندرج التفاعلات الإضافية التي تمتلكها الجزيئات مع حواجز الانتشار واسعة النطاق مثل العمود الفقري ، ونباتات المحاور الصغيرة ، والدبقية تحت التعرج الهندسي. لم يتم احتساب هذا في معامل الانتشار ، D. ومن ثم ، لحساب التعرج الهندسي ، أجرينا تجارب بمصدر نقطي كما هو موضح في Tao and Nicholson (2004). يتطلب هذا القضاء على جميع التفاعلات التي تمتلكها الجزيئات المنتشرة مع المستقبلات والناقلات ، أي تم إيقاف جميع هذه التفاعلات. كان ثابت الانتشار الفعال المقدر حوالي 10 مرات أصغر من قيمة D المجهري لجزيء الغلوتامات. نتج عن ذلك قيمة تعرج تبلغ 3.16 للتكوين في الشكل 1.

التركيز داخل الشق المشبكي (بحجم 2.29 × 10 3 ميكرومترم 3) ممثلة كـ [Glu]مزامنة وبالقرب من mGluR2 / 3 (الموجود في φ = 20 درجة بحجم 1.25 × 10 −4 ميكرومترم 3) ممثلة كـ [Glu]mGluR، باستخدام العدد الإجمالي لجزيئات الغلوتامات الحرة في المناطق المعنية بعد الوصول إلى الاستتباب. تركيزات الغلوتامات المحددة تجريبياً في الفضاء خارج الخلية (ECS بحجم 1.418.1) ميكرومترم 3) ، ممثلة بـ [Glu]السابق وتم الإبلاغ عنها بواسطة التحليل الدقيق في الجسم الحي (Baker et al. ، 2003 McFarland et al. ، 2003 ، 2004 Szumlinski et al. ، 2006) أثناء ظروف التحكم والكوكايين ، تم تصميمها على أنها خارج غمد الدبقية G3. بعد المرحلة العابرة (أي 50 مللي ثانية بعد الإطلاق المشبكي) ، استقر التركيز ، مما أدى إلى تشكيل جانبي موحد وبالتالي الاستتباب [Glu]مزامنة، [جلو]mGluRو [Glu]السابق تم حساب المتوسط ​​المكاني في المناطق المعنية لمدة 1000 مللي ثانية لحالات التحكم والكوكايين.

وهكذا ، عند التحرر من مركز المشبك ، تنتشر جزيئات الغلوتامات عبر الشق المشبكي لتنشيط مستقبلات التأين على الطرف ما بعد المشبكي. حدث امتصاص الجزيئات المنتشرة خارج الشق من خلال التفاعلات الجزيئية مع ناقلات الغلوتامات المأهولة بالسطح والموجودة على الأسطح الدبقية. يمكن الاطلاع على التفاصيل المتعلقة بتنفيذ أنظمة تفاعل الانتشار على الأسطح وفي محلول مستخدم بواسطة MCell في Kerr et al. (2008).


ما هو الناقل العصبي الذي يتم إطلاقه من النهايات العصبية؟

جزيئات الناقلات العصبية يتم تخزينها في "عبوات" صغيرة تسمى الحويصلات (انظر الصورة على اليمين). الناقلات العصبية نكون صدر من المحطة المحورية عندما "تندمج" حويصلاتها مع غشاء المحطة المحورية ، مما يؤدي إلى انسكاب ناقل عصبي في شق متشابك.

أيضًا ، ماذا يحدث عندما يتم إطلاق ناقل عصبي بواسطة خلية ما قبل المشبكي؟ استجابة لإمكانية عمل العتبة أو الجهد الكهربائي المتدرج ، أ يتم تحرير ناقل عصبي في ال قبل المشبكي طرفية. ال صدر ناقل عصبي قد يتحرك بعد ذلك عبر المشبك ليتم اكتشافه بواسطة المستقبلات الموجودة في الخلايا العصبية بعد المشبك والارتباط بها.

بالإضافة إلى ذلك ، أي جزء من الخلايا العصبية يطلق الناقلات العصبية من الحويصلات؟

عندما يصل جهد فعل إلى نهاية المحطة المحورية ، تحدث سلسلة من الأحداث التي تؤدي إلى إفراج من ناقل عصبي من محور عصبي قبل المشبكي. حدد الإجابة التي تصف بشكل صحيح الحافز الأساسي لـ حويصلات للتحرك نحو غشاء الخلية وفي النهاية إفراج محتوياتها.

ماذا يحدث للناقلات العصبية الزائدة التي تنتجها الخلايا العصبية قبل المشبكية؟

الجواب والشرح: ناقل عصبي زائد في الفجوة المشبكية إما إعادة تدويرها مرة أخرى في الخلايا العصبية قبل المشبكي أو تتحلل بفعل الإنزيمات الموجودة في المشبك.


الخلايا العصبية والمشابك العصبية: فهم الصف التاسع لبيولوجيا IGCSE 2.88 2.89

هناك القليل جدًا في مواصفات iGCSE حول الخلايا العصبية ونقاط الاشتباك العصبي. هذا عار لأن علم الأعصاب سيكون أحد مجالات النمو الهائلة في علم الأحياء في القرن الحادي والعشرين. هناك نقطة منهج حول ردود الفعل المنعكسة وألفت انتباهك إلى منشور المدونة هذا حول ذلك: https://pmgbiology.wordpress.com/2014/04/22/a-simple-reflex-arc/

لكن في هذا المنشور الجديد سأعطيكم تفاصيل أكثر قليلاً عن أنواع الخلايا العصبية (الخلايا العصبية) التي قد تصادفها ، إلى جانب شرح حول أهم عنصر في الجهاز العصبي: المشبك الكيميائي.

الخلايا العصبية هي الخلايا الموجودة في الجهاز العصبي التي يتم تكييفها لإرسال نبضات عصبية. لقد ربحت & # 8217t تفهم تمامًا ما هو الدافع العصبي حتى العام 13 ولكنه صحيح بحيث يكون حدثًا كهربائيًا مؤقتًا يمكن نقله عبر مسافات كبيرة داخل الخلية دون فقدان قوة الإشارة. والنتيجة هي أن الخلايا العصبية يمكن أن تكون طويلة جدًا بالفعل & # 8230 ..

هناك ثلاثة أنواع أساسية من الخلايا العصبية التي يتم تجميعها وفقًا لوظيفتها:

الخلايا العصبية الحركية (الخلايا العصبية الصادرة) تأخذ النبضات العصبية من الجهاز العصبي المركزي إلى العضلات الهيكلية مما يؤدي إلى تقلصها

الخلايا العصبية الحسية (الخلايا العصبية الواردة) تأخذ النبضات العصبية من المستقبلات الحسية إلى الجهاز العصبي المركزي

تناوب (أو في بعض الأحيان إنتر) الخلايا العصبية توجد داخل الجهاز العصبي المركزي وتربط أساسًا الحسية بالخلايا العصبية الحركية.

تحتوي هذه الأنواع الثلاثة من الخلايا العصبية أيضًا على هياكل مختلفة على الرغم من مشاركة العديد من الميزات & # 8230.

هذا رسم تخطيطي لـ الخلايا العصبية الحركية المعممة: أعلم أنها عصبون حركي منذ جسم الخلية في أحد طرفي الخلية. يحتوي جسم الخلية على النواة ومعظم السيتوبلازم والعديد من العضيات. تسمى الهياكل التي تحمل دافعًا عصبيًا تجاه جسم الخلية التشعبات (إذا كان هناك الكثير منهم) وأ dendron إذا كان هناك واحد فقط. ال محور عصبي هو الإسقاط الرفيع الطويل للخلية الذي يأخذ النبضات العصبية بعيدًا عن جسم الخلية. سينتهي المحور العصبي بمجموعة من النهايات العصبية أو المشابك العصبية.

تستطيع الخلايا العصبية إرسال نبضات عصبية في اتجاه واحد فقط. في الرسم البياني أعلاه ، يمكن لهاتين الخليتين إرسال نبضات فقط من اليسار إلى اليمين كما هو موضح. هذا بسبب طبيعة التقاطع بين الخلايا ، المشبك (انظر لاحقًا & # 8230.)

يوضح الرسم البياني أعلاه أ العصبون الحسي. يمكنك معرفة ذلك لأنه يحتوي على مستقبلات في أحد طرفيه تجمع المعلومات الحسية لنقلها إلى الجهاز العصبي المركزي. يختلف موقع جسم الخلية أيضًا في الخلايا العصبية الحسية: في جميع الخلايا العصبية الحسية يكون جسم الخلية مغلقًا بزاوية قائمة على المحور العصبي / الشجرة.

يمكنك أن ترى من المخططات أن الخلايا العصبية الحركية والحسية تميل إلى أن تكون محاطة بـ a غمد المايلين. المايلين هو نوع من دهون هذا بمثابة عازل، مما يؤدي إلى تسريع النبضات العصبية من حوالي 0.5 م / ث في الخلايا العصبية غير الملقحة إلى حوالي 100 م / ث في أسرع الخلايا النخاعية. يتكون غمد المايلين من حمولة كاملة من الخلايا (الخلايا الدبقية) ولكن هناك فجوات بين الخلايا الدبقية تسمى العقد رانفييه. ستصبح هذه الأمور مهمة في Y12 / 13 عندما تدرس كيفية تمكن الدافع من السفر بسرعة كبيرة في الخلايا العصبية النخاعية.

تتابع الخلايا العصبية ، المعروف أيضًا باسم interneurones ، له هيكل أبسط بكثير. تم العثور عليها فقط في الجهاز العصبي المركزي ، وغالبًا ما تكون غير مملوءة ولديها جسم خلوي في وسط الخلية.

يوضح الرسم البياني أعلاه الأنواع الثلاثة من الخلايا العصبية ، وفي الواقع كيف يتم ربطها في قوس منعكس بسيط. لم يظهر الفنان & # 8217t البنية العصبية الداخلية بشكل جيد جدًا ، لكنه كان أفضل ما يمكن أن أجده الآن & # 8230 ..

ترتبط الخلايا العصبية ببعضها البعض (وترتبط بالفعل بخلايا العضلات) بواسطة هياكل معروفة باسم المشابك. هناك الكثير من نقاط الاشتباك العصبي في جهازك العصبي. يحتوي دماغ الإنسان على حوالي 100 مليار خلية عصبية وكل خلية عصبية مرتبطة بحوالي 1000 خلية أخرى عن طريق نقاط الاشتباك العصبي: ما مجموعه 100 تريليون نقطة عصبية. 100.000.000.000.000 هو رقم كبير.

الفكرة الكبرى في المشابك العصبية هي أن العصبتين لا تتلامسان في الواقع. هناك فجوة صغيرة تسمى شق متشابك بين الخلايا. النبضة العصبية لا تعبر هذه الفجوة الصغيرة كحدث كهربائي ولكن بدلا من ذلك هناك مواد كيميائية تسمى الناقلات العصبية الذي - التي منتشر عبر الشق المشبكي.

يصل الدافع العصبي إلى المحطة المحورية للعصب قبل المشبكي. يوجد داخل هذا التورم آلاف الحزم الغشائية الصغيرة التي تسمى حويصلات، كل منها مليء بمليون أو نحو ذلك من الجزيئات ناقل عصبي. عندما يصل الدافع إلى الطرف ، يتم تحفيز بضع مئات من هذه الحويصلات على التحرك نحو غشاء الخلية ثم الاندماج به ، مما يؤدي إلى إطلاق الناقل العصبي في الشق المشبكي. سوف الناقل العصبي منتشر بسرعة عبر الفجوة وعندما تصل إلى غشاء ما بعد التشابك ، فإنها ترتبط بالتحديد جزيئات المستقبل جزءا لا يتجزأ من الغشاء بعد المشبكي. غالبًا ما يتسبب ارتباط الناقل العصبي بالمستقبل في تكوين نبضة عصبية جديدة في الخلية بعد التشابك العصبي.

هذه المشابك الكيميائية أشياء جميلة حقًا. إنها تضمن أن النبضات العصبية لا يمكنها إلا عبور المشبك في اتجاه واحد (هل ترى لماذا؟) كما أنها مرنة بلا حدود. يمكن تقويتها وإضعافها ، ويمكن إضافة آثارها معًا ، وعندما يتم تجميع كل ذلك ، يمكن أن يظهر سلوك معقد. سأعرض بعض السلوك المعقد الآن عن طريق اختيار أخذ كلبي في نزهة & # 8230 وكل ذلك حدث بسبب المشابك في عقلي!


إجراء

في الجزء الأول من نشاط الاستفسار الموجه ، سيقدر الطلاب عرض الشق المشبكي للمشابك الموضحة في الشكلين 1 أ و 2. في ما يلي ، أشير إلى النموذجين الموضحين في هذه الأشكال باسم "نموذج المشبك الصرفي" و "نموذج المشبك التخطيطي" على التوالي.

بحلول الوقت الذي يبدأ فيه الطلاب الجزء الأول ، يجب أن يكونوا على دراية بالبادئات المترية ذات الصلة والقيم المقابلة الموضحة في الجدول 1. كما يجب أن يكون الطلاب قادرين على ربط النتائج التي تم الحصول عليها من خلال نشاط الاستفسار ببعض الأبعاد الأساسية للخلايا العصبية في الجهاز العصبي المركزي ، مثل نطاق أحجام سوما (الخلايا الحبيبية في المخيخ:

4 ميكرومتر خلايا بيتز من القشرة الحركية: 100 ميكرومتر) ومدى أقطار المحاور (0.1-10 ميكرومتر) بين الخلايا.

اختصار . رمز . عامل الضرب . قوة .
(بدون بادئة) 1 10 0
سنتي ج 0.01 10 −2
ملي م 0.001 10 −3
مجهري ميكرومتر 0.000001 10 −6
نانو ن 0.000000001 10 −9
اختصار . رمز . عامل الضرب . قوة .
(بدون بادئة) 1 10 0
سنتي ج 0.01 10 −2
ملي م 0.001 10 −3
مجهري ميكرومتر 0.000001 10 −6
نانو ن 0.000000001 10 −9

البادئة المترية هي تعديل لوحدة القياس الأساسية للإشارة إلى قيمة الوحدة. أمثلة: 1 ميكرومتر (ميكرومتر) = 1 · 10 −6 م 5 مللي ثانية (مللي ثانية) = 5 · 10 −3 ثانية.

لتقدير الأبعاد المشبكية ، يتم تزويد الطلاب بمطبوعات لنماذج المشابك الموضحة في الشكلين 1 أ و 2 ، بما في ذلك وصف للمكونات المصنفة. المعلومات الأخرى الوحيدة التي يتلقونها هي أن قطر المحور العصبي قبل المشبكي يبلغ 0.5 ميكرومتر. بناءً على هذه المعلومات ، يُطلب من الطلاب تقدير أبعاد المكونين التاليين من المشابك النموذجية: (1) طول الطرف قبل المشبكي (المحدد على أنه البعد العمودي على محور المحور) و (2) عرض شق متشابك. لتقدير هذه الأبعاد ، يجب اتباع الخطوات التالية:

قم بقياس (بالمليمترات) قطر العمود المحوري على كل من المطبوعين.

بافتراض أن قطر العمود المحوري 0.5 ميكرومتر ، استخدم النتائج التي تم الحصول عليها في الخطوة 1 لحساب عامل التكبير للرسومات الموضحة في كل من الشكلين. يتم ذلك بقسمة القطر المقاس على الرسم بمقدار 0.5 ميكرومتر. تذكر استخدام وحدات قياس متطابقة في حساباتك.

قم بقياس (بالمليمترات) طول الطرف قبل المشبكي (المحدد على أنه البعد العمودي على عمود المحور المحوري) على كل من المطبوعين.

استخدم عوامل التكبير المحسوبة في الخطوة 2 والنتائج المقابلة التي تم الحصول عليها في الخطوة 3 لتقدير الأطوال الفعلية للمحطات قبل المشبكية الموضحة في الرسمين.

Measure (in millimeters) the width of the synaptic cleft on each of the two printouts.

Use the magnification factors calculated in step 2 and the corresponding results obtained in step 5 to estimate the actual width of the synaptic clefts shown in the two drawings.

نتائج

Let us assume that, on the printout of the Schematic Synapse Model, the diameter of the axonal shaft is 40 mm (please note that this value may vary among different printouts) – that is, this structure is 80,000 times enlarged, compared to the actual dimensions of a typical axon, here assumed to be 0.5 μm. The length of the presynaptic terminal (determined on the same printout to be 85 mm or 0.085 m) is, therefore, 8.5·10 −2 m ÷ 80,000 = 1.06·10 −6 m or 1.06 μm or ≈1 μm. Applying the same procedure, the width of the synaptic cleft is estimated to be 475 nm (≈0.5 μm).

Similarly, application of the above procedure to the Morphometric Synapse Model yields ≈1 μm for the length of the presynaptic terminal and ≈20 nm for the width of the synaptic cleft.

Evaluation of the Results

Educational models of chemical synapses, like the one shown in Figure 2, generally provide a good indication of the relative proportions of the presynaptic terminal and the axon from which this terminal emerges. For example, in the adult visual cortex, terminal lengths between 0.5 μm and 2.2 μm, with a mean of 1.2 μm, have been measured (Stettler et al., 2006). Axon diameters in the central nervous system typically range between 0.1 μm and 10 μm, but thinner axons are the most abundant (Perge et al., 2012). Thus, a ratio of roughly 2:1 of the length of the presynaptic terminal to the diameter of the axon shaft, as depicted in Figure 2, is well within the range of the proportions of axons and terminals found in the central nervous system.

On the other hand, a width of 0.5 μm of the synaptic cleft, as indicated by the Schematic Synapse Model, is far off – roughly by a factor of 25. Electron microscopy studies have shown that the distance between the apposed synaptic membranes typically ranges between 15 nm and 25 nm (Peters et al., 1991 Zuber et al., 2005). As will be demonstrated in Part 2, this severe distortion of the actual dimension of the synaptic cleft in many educational models of chemical synapses, without mentioning that the dimensions of the synaptic components are not drawn to scale, has serious consequences for the predicted impact on neurotransmitter diffusion time and concentration of transmitter molecules in the synaptic cleft, and thus for the functioning of the synapse.

By contrast, the Morphometric Synapse Model presented in Figure 1A depicts realistically the relative dimensions of axon diameter versus presynaptic terminal length and synaptic cleft width. If the diameter of the axon is 0.5 μm, then the presynaptic terminal will be

1 μm long and the synaptic cleft will be

20 nm wide. Furthermore, the synaptic vesicle shown in Figure 1B will then have a diameter of

40 nm, a value that falls well within the size range of synaptic vesicles containing classical transmitters such as glutamate (Zhang et al., 1998).


Disorders Associated With Defects in Neurotransmission

Disorders or substances that alter the production, release, reception, breakdown, or reuptake of neurotransmitters or that change the number and affinity of receptors can cause neurologic or psychiatric symptoms and cause disease (see table Examples of Disorders Associated With Defects in Neurotransmission). Drugs that modify neurotransmission can alleviate many of these disorders (eg, Parkinson disease, depression).

A neuron relays information to another neuron at a synapse. The neuron transmitting the information is called the presynaptic neuron, and the neuron receiving the information is the postsynaptic neuron.

Let’s look at what happens at a cholinergic synapse, one of the most common types of synapses. When an action potential arrives at the synaptic knob of the presynaptic neuron, voltage-regulated calcium gates open, calcium ions enter and bind to synaptic vesicles. This leads to exocytosis which releases the neurotransmitter acetylcholine from the synaptic vesicles into the synaptic cleft. Acetylcholine molecules then diffuse across the synaptic cleft and bind to ACh (acetylcholine) receptors in the membrane of the postsynaptic neuron. The binding opens ion channels, and the membrane depolarizes. If this depolarization brings the initial segment of the postsynaptic neuron to threshold, it will result in an action potential. The depolarization of the postsynaptic membrane is short-lived because acetylcholinesterase rapidly breaks down the ACh in the synaptic cleft.


How long does it take the neurotransmitters to diffuse accross the synaptic cleft? - مادة الاحياء

Now that we have discussed the basic anatomy of the neuron, we can turn to the physiology that underlies neuronal signaling.

Neurons use all-or-nothing messages called إمكانات العمل to relay electrical impulses down the axon to the synaptic bouton. As we will explore in the following section, action potentials ultimately cause the release of neurotransmitters into the synaptic cleft.

Resting Potential

All neurons exhibit a resting membrane potential. This means that there is an electrical potential difference (voltage) between the inside of the neuron and the extracellular space. Usually, this is about –70 mV, with the inside of the neuron being negative relative to the outside. Neurons use selective permeability to ions and the Na+/K+ ATPase to maintain this negative internal environment, as shown in Figure 4.3.

شكل 4.3. Maintenance of Resting Membrane Potential The Na + /K + ATPase maintains a resting membrane potential of –70 mV by moving 3 Na + ions out of the cell for every 2 K + ions moved into the cell.

Like any other cell, the neuronal plasma membrane is fairly impermeable to charged species. Because the plasma membrane contains a thick nonpolar barrier (fatty acid tails), it is not energetically favorable for ions to cross this barrier. Inside the neuron, [K + ] is high and [Na + ] is low. Outside of the neuron, [Na + ] is high, whereas [K + ] is low. The negative resting potential is generated by both negatively charged proteins within the cell and the relatively greater permeability of the membrane to K + compared with Na + . If the cell membrane is more permeable to K + and the ion’s concentration is higher inside, K + will diffuse down its gradient out of the cell. What does this mean in terms of charge movement? K + is positively charged, so its movement out of the cell results in a cell interior that is negative. Put another way, if we assume that the membrane starts at zero, and we take away a positive charge, we end up with a negative charge inside the cell: 0 – (+1) = –1. Na + cannot readily enter at rest, so the negative potential is maintained.

The resting membrane potential is dependent on the intra- and extracellular ion concentrations, relative permeability of the membrane to these different ions, and charges of these ions. The Goldman–Hodgkin–Katz voltage equation brings together these different factors into one equation that predicts the resting membrane potential. This equation is discussed in Chapter 8 of MCAT Biochemistry Review.

The Na + /K + ATPase is important for restoring this gradient after action potentials have been fired. It transports three Na + out of the cell for every two K + into the cell at the expense of one ATP. ATP is necessary because both Na + and K + are moved against their gradients by this process thus, this qualifies as primary active transport. Each time the pump works, it results in the inside of the cell becoming relatively more negative, as only two positive charges are moved in for every three that are moved out.

The Axon Hillock

Neurons can receive both excitatory and inhibitory input. Excitatory input causes نزع الاستقطاب (raising the membrane potential, الخامسم, from its resting potential) and thus makes the neuron more likely to fire an action potential. Inhibitory input causes hyperpolarization (lowering the membrane potential from its resting potential) and thus makes the neuron less likely to fire an action potential. If the axon hillock receives enough excitatory input to be depolarized to the عتبة value (usually in the range of –55 to –40 mV), an action potential will be triggered.

This implies that not every stimulus necessarily generates a response. A small excitatory signal may not be sufficient to bring the axon hillock to threshold. Further, a postsynaptic neuron may receive information from several different presynaptic neurons, some of which are excitatory and some of which are inhibitory. The additive effects of multiple signals is known as summation.

There are two types of summation: temporal and spatial. في temporal summation, multiple signals are integrated during a relatively short period of time. A number of small excitatory signals firing at nearly the same moment could bring a postsynaptic cell to threshold, enabling an action potential. في spatial summation, the additive effects are based on the number and location of the incoming signals. A large number of inhibitory signals firing directly on the soma will cause more profound hyperpolarization of the axon hillock than the depolarization caused by a few excitatory signals firing on the dendrites of a neuron.

Ion Channels and Membrane Potential

A graph of membrane potential ضد. time during an action potential is shown in Figure 4.4.

شكل 4.4. Action Potential Generation Sufficient depolarization across the cell membrane to threshold leads to the generation of an action potential, followed by repolarization and hyperpolarization before returning to the resting membrane potential.

If the cell is brought to threshold, voltage-gated sodium channels open in the membrane. As the name implies, these ion channels open in response to the change in potential of the membrane (depolarization) and permit the passage of sodium ions. There is a strong electrochemical gradientthat promotes the migration of sodium into the cell. From an electric standpoint, the interior of the cell is more negative than the exterior of the cell, which favors the movement of positively charged sodium cations into the cell. From a chemical standpoint, there is a higher concentration of sodium outside the cell than inside, which also favors the movement of sodium into the cell. As sodium passes through these ion channels, the membrane potential becomes more positive that is, the cell rapidly depolarizes. Sodium channels not only open in response to changes in membrane potential, but are also inactivated by them. متي الخامسم approaches +35 mV, the sodium channels are معطل and will have to be brought back near the resting potential to be deinactivated. Thus, these sodium channels can exist in three states: مغلق (before the cell reaches threshold, and after inactivation has been reversed), افتح (from threshold to approximately +35 mV), and غير نشط (from approximately +35 mV to the resting potential).

KEY CONCEPT

Na + wants to go into the cell because the cell is more negative inside (electrical gradient) and has a lower concentration of Na + inside (chemical gradient).

The positive potential inside the cell not only triggers the voltage-gated sodium channels to inactivate, but also triggers the voltage-gated potassium channels to open. Once sodium has depolarized the cell, there is an electrochemical gradient favoring the efflux of potassium from the neuron. As positively charged potassium cations are driven out of the cell, there will be a restoration of the negative membrane potential called repolarization. The efflux of K + causes an overshoot of the resting membrane potential, hyperpolarizing the neuron. This hyperpolarization serves an important function: it makes the neuron refractory to further action potentials. هناك نوعان من refractory periods. أثناء ال absolute refractory period, no amount of stimulation can cause another action potential to occur. أثناء ال relative refractory period, there must begreater than normal stimulation to cause an action potential because the membrane is starting from a potential that is more negative than its resting value.

The Na + /K + ATPase acts to restore not only the resting potential, but also the sodium and potassium gradients that have been partially dissipated by the action potential.

KEY CONCEPT

Action potentials rely on both electrical and chemical gradients. The neuron starts at the resting potential, around –70 mV. At the resting potential, potassium is high inside the cell and low outside the cell, while sodium is high outside the cell and low inside the cell. Once the cell reaches threshold, sodium channels open and sodium floods the cell, making it more positive inside (depolarization). Then, sodium channels are inactivated and the potassium channels open. This allows potassium to flow out of the cell, bringing the potential to the negative range (repolarization), and actually overshooting the resting potential (hyperpolarization). The Na + /K + ATPase then works to restore the resting potential.

Impulse Propagation

So far, we have discussed the movements of ions at one small segment of the axon. For a signal to be conveyed to another neuron, the action potential must travel down the axon and initiate neurotransmitter release. This movement is called impulse propagation and is shown in Figure 4.5. As sodium rushes into one segment of the axon, it will cause depolarization in the surrounding regions of the axon. This depolarization will bring subsequent segments of the axon to threshold, opening the sodium channels in those segments. Each of these segments then continues through the rest of the action potential in a wavelike fashion until the action potential reaches the nerve terminal. After the action potential has fired in one segment of axon, that segment becomes momentarily refractory, as described previously. The functional consequence of this is that information can only flow in one direction.

شكل 4.5. Action Potential Propagation Action potentials are propagated down the axon when proximal sodium channels open and depolarize the membrane, inducing neighboring sodium channels to open as well because of the refractory character of these channels, the action potential can move in only one direction.

A toxin called tetrodotoxin (TTX) is found in the pufferfish, a delicacy in Japan. TTX blocks the voltage-gated Na + channels, thereby blocking neuronal transmission. This can rapidly cause death because the phrenic nerves innervating the diaphragm can no longer depolarize, leading to paralysis of the muscle and a cessation of breathing. For this reason, chefs who prepare pufferfish must be specially trained and licensed.

Local anesthetics work by blocking the voltage-gated Na + channels. These drugs work particularly well on sensory neurons and therefore block the transmission of pain. They favor pain neurons because these neurons have small axonal diameters and little or no myelin, allowing easy access to the sodium channels. Anesthetic concentrations are kept sufficiently low to block pain neurons without significant effects on other sensory modalities or motor function.

The speed at which action potentials move depends on the length and cross-sectional area of the axon. Increased length of the axon results in higher resistance and slower conduction. Greater cross-sectional areas allow for faster propagation due to decreased resistance. The effect of cross-sectional area is more significant than the effect of length. In order to maximize the speed of transmission, mammals have myelin. Myelin is an extraordinarily good insulator, preventing the dissipation of the electric signal. The insulation is so effective that the membrane is only permeable to ion movement at the nodes of Ranvier. Thus, the signal “hops” from node to node&mdashwhat is called saltatory conduction.

This insulation by myelin is extremely effective. A human spinal cord is about the thickness of a finger. Without this insulation, the cord would have to be almost as wide as a telephone pole to prevent signal loss.

It is important to note that all action potentials within the same type of neuron have the same potential difference during depolarization. Increased intensity of a stimulus does not result in an increased potential difference of the action potential, but rather an increased frequency of firing.

As discussed previously, neurons are not actually in direct physical contact. There is a small space between neurons called the synaptic cleft into which neurotransmitters are secreted, as shown in Figure 4.6. To clarify the terminology, the neuron preceding the synaptic cleft is called thepresynaptic neuron the neuron after the synaptic cleft is called the postsynaptic neuron. If a neuron signals to a gland or muscle, rather than another neuron, the postsynaptic cell is termed an المستجيب. Most synapses are المواد الكيميائية in nature they use small molecules referred to asالناقلات العصبية to send messages from one cell to the next.

شكل 4.6. The Synapse Synaptic vesicles are released from the presynaptic neuron and diffuse across the synaptic cleft to activate receptors on the postsynaptic neuron (or gland or muscle).

الناقلات العصبية

Prior to release, neurotransmitter molecules are stored in membrane-bound vesicles in the nerve terminal. When the action potential reaches the nerve terminal, voltage-gated calcium channels open, allowing calcium to flow into the cell. This sudden increase in intracellular calcium triggers fusion of the membrane-bound vesicles with the cell membrane at the synapse, causing exocytosis of the neurotransmitter.

KEY CONCEPT

It is critical to understand the difference between electrical and chemical transmission. Within a neuron, electricity is used to pass signals down the length of the axon. Between neurons, chemicals (neurotransmitters) are used to pass signals to the subsequent neuron (or gland or muscle).

Once released into the synapse, the neurotransmitter molecules diffuse across the cleft and bind to receptors on the postsynaptic membrane. This allows the message to be passed from one neuron to the next. As we stated earlier, neurons may be either excitatory or inhibitory this distinction truly comes at the level of the neurotransmitter receptors, which tend to be either ligand-gated ion channels or G protein-coupled receptors. If the receptor is a ligand-gated ion channel, the postsynaptic cell will either be depolarized or hyperpolarized. If it is a G protein-coupled receptor, it will cause either changes in the levels of cyclic AMP (cAMP) or an influx of calcium. Note that the physiology of receptors is further discussed in Chapter 3 of MCAT Biochemistry Review.

Neurotransmission must be regulated&mdashthere are almost no circumstances under which constant signaling to the postsynaptic cell would be desirable. Therefore, the neurotransmitter must be removed from the synaptic cleft. There are three main mechanisms to accomplish this goal. First, neurotransmitters can be broken down by enzymatic reactions. The breakdown of acetylcholine (ACh) بواسطة أسيتيل كولينستراز (AChE), shown in Figure 4.7, is a classic example.

شكل 4.7. Breakdown of a Neurotransmitter by an Enzyme Acetylcholine (ACh) can be broken down by acetylcholinesterase (AChE).

Second, neurotransmitters can be brought back into the presynaptic neuron using reuptake carriers. The reuptake of السيروتونين (5-HT), shown in Figure 4.8, is a classic example of this mechanism. الدوبامين (DA) و نوربينفرين (NE) also use reuptake carriers.

شكل 4.8. Reuptake of a Neurotransmitter Serotonin (5-HT) can be taken back up by the presynaptic cell an autoreceptor will signal the presynaptic cell to stop releasing serotonin and start the reuptake process.

Third, neurotransmitters may simply diffuse out of the synaptic cleft. Nitric oxide (لا), a gaseous signaling molecule, fits into this category.

Many common drugs (either in clinical use or street drugs) modify processes that occur in the synapse. For instance, cocaine acts by blocking neuronal reuptake carriers, thus prolonging the action of neurotransmitters in the synapse. There are clinically useful drugs (some of which are used to treat Alzheimer’s disease, glaucoma, and myasthenia gravis) that inhibit acetylcholinesterase, thereby elevating synaptic levels of acetylcholine. Nerve gases, which have been used in warfare and terrorism, are extremely potent acetylcholinesterase inhibitors. Nerve gas causes rapid death by preventing the relaxation of skeletal muscle (most importantly, the diaphragm), leading to respiratory arrest.

MCAT Concept Check 4.2:

Before you move on, assess your understanding of the material with these questions.

1. What neural structure initiates the action potential?

2. What entity maintains the resting membrane potential? What is the approximate voltage of the resting membrane potential?

3. What is the difference between temporal and spatial summation?

4. During the action potential, which ion channel opens first? How is this ion channel regulated? What effect does the opening of this channel have on the polarization of the cell?

5. During the action potential, which ion channel opens second? How is this ion channel regulated? What effect does the opening of this channel have on the polarization of the cell?

6. What is the difference between the absolute and relative refractory period?

·&emspAbsolute refractory period:

·&emspRelative refractory period:

7. What ion is primarily responsible for the fusion of neurotransmitter-containing vesicles with the nerve terminal membrane?

8. What are the three main methods by which a neurotransmitter’s action can be stopped?

If you are the copyright holder of any material contained on our site and intend to remove it, please contact our site administrator for approval.


How are neurotransmitters released from vesicles in the presynaptic neuron?

Synapses are extraordinarily important for neuronal communication we can think of each synapse as a phone and the neurotransmitters that pass between them as individual text messages. In order to transfer information (in the form of chemical messages - neurotransmitters), the presynaptic and postsynaptic neurons must come into contact. When these neurons come together, they do not actually touch however, they do come extremely close and form a space between the neurons known as the synaptic cleft. In order to deliver its message, the presynaptic neuron has to get its chemical messengers to the postsynaptic neuron. To do this, neurotransmitters are released from the presynaptic neuron, and they diffuse across the synaptic cleft. Eventually, they reach the postsynaptic neuron and bind to receptors there where they can initiate chemical changes.

The process by which neurotransmitters are released from the presynaptic neuron into the synaptic cleft is known as ‘synaptic vesicle exocytosis’ and is extremely complex. Synaptic vesicle exocytosis is mediated by a SNARE/SM protein cycle in which the ATPase NSF acts with a group of proteins known as SNAP’s to provide the energy necessary for the process to occur. To understand this process fully, we need to consider the presynaptic neuron on a more detailed level. The figure to the left shows components of the presynaptic neuron including the neuronal membrane, a synaptic vesicle, and some proteins. The first protein, synaptobrevin, is attached to the vesicular membrane, and on the neuronal membrane, we can see the second protein, SNAP-25 along with a complex. This complex consists of two proteins - Munc18 and syntaxin-1.

Recall that synaptobrevin is located on the vesicular membrane, while syntaxin and SNAP-25 are located on the neuronal membrane for this reason, we call synaptobrevin a V-SNARE (V for vesicular) and SNAP-25 and syntaxin-1 T-SNAREs (T for target). Once fusion is initiated (a process which will be discussed shortly), these three proteins “zipper together” to form what is known as the SNARE complex, shown in the image to the above. The SNARE complex works to tug on the membranes and form an opening in both the vesicle and the neuronal membrane. The opening in the membrane allows the vesicle to collapse into the membrane the membranes fuse into one, neurotransmitters flow out of the vesicle, and the SNARE proteins can then “let go” of the vesicular membrane. This allows the complex to reside fully on the neuronal membrane, and we say this represents the trans-SNARE complex converting into a cis-SNARE complex, as shown below.

Once fusion is complete and neurotransmitter has been released, the cis-SNARE complexes still reside on the membrane. In order to prepare the presynaptic neuron for another round of fusion, NSF and SNAPs come in and dissociate the complexes. This dissociation frees the SNARE proteins up and provides the energy needed to facilitate another round of fusion.

We can take a step back and consider how this entire mechanism of exocytosis is initiated. To understand this, we need to bring two more proteins into the picture, synaptotagmin and complexin. At any point in time, there exists a collection of vesicles docked at the membrane ready for release however, there must be a mechanism in place to hold them there. This is where complexin comes in. Complexin acts as a clamp and binds to the SNARE complex, preventing full zippering of the SNARE proteins. Essentially, it allows the trans-SNARE complex to form and “wait” at the membrane for the signal. At low levels of calcium, this clamp can function particularly well. However, when calcium levels rise, synaptotagmin (a calcium sensor) is activated, complexin is released, and the vesicles are allowed to fuse.


Neuroscience For Kids

Communication of information between neurons is accomplished by movement of chemicals across a small gap called the تشابك عصبى. Chemicals, called الناقلات العصبية, are released from one neuron at the presynaptic nerve terminal. Neurotransmitters then cross the synapse where they may be accepted by the next neuron at a specialized site called a receptor. The action that follows activation of a receptor site may be either depolarization (an excitatory postsynaptic potential) or hyperpolarization (an inhibitory postsynaptic potential). A depolarization makes it MORE likely that an action potential will fire a hyperpolarization makes it LESS likely that an action potential will fire.

Discovery of Neurotransmitters

In 1921, an Austrian scientist named Otto Loewi discovered the first neurotransmitter. In his experiment (which came to him in a dream), he used two frog hearts. One heart (heart #1) was still connected to the vagus nerve. Heart #1 was placed in a chamber that was filled with saline. This chamber was connected to a second chamber that contained heart #2. So, fluid from chamber #1 was allowed to flow into chamber #2. Electrical stimulation of the vagus nerve (which was attached to heart #1) caused heart #1 to ابطئ. Loewi also observed that after a delay, heart #2 also slowed down. From this experiment, Loewi hypothesized that electrical stimulation of the vagus nerve released a chemical into the fluid of chamber #1 that flowed into chamber #2. He called this chemical "Vagusstoff". We now know this chemical as the neurotransmitter called أستيل.

Otto Loewi's Experiment

Neurotransmitter Criteria

Neuroscientists have set up a few guidelines or criteria to prove that a chemical is really a neurotransmitter. Not all of the neurotransmitters that you have heard about may actually meet every one of these criteria.

The chemical must be produced within a neuron.
The chemical must be found within a neuron.
When a neuron is stimulated (depolarized), a neuron must release the chemical.
When a chemical is released, it must act on a post-synaptic receptor and cause a biological effect.
After a chemical is released, it must be inactivated. Inactivation can be through a reuptake mechanism or by an enzyme that stops the action of the chemical.
If the chemical is applied on the post-synaptic membrane, it should have the same effect as when it is released by a neuron.

Neurotransmitter Types

There are many types of chemicals that act as neurotransmitter substances. Below is a list of some of them.

Small Molecule Neurotransmitter Substances

أحماض أمينية

Neuroactive Peptides - partial list only!

bradykinin beta-endorphin bombesin كالسيتونين
cholecystokinin enkephalin dynorphin الأنسولين
الجاسترين substance P neurotensin جلوكاجون
secretin السوماتوستاتين motilin فازوبريسين
الأوكسيتوسين البرولاكتين thyrotropin angiotensin II
sleep peptides galanin neuropeptide Y thyrotropin-releasing hormone
gonadotropnin-releasing hormone growth hormone-releasing hormone الهرمون الملوتن vasoactive intestinal peptide

Soluble Gases

Synthesis of Neurotransmitters

Acetylcholine is found in both the central and peripheral nervous systems. Choline is taken up by the neuron. When the enzyme called choline acetyltransferase is present, choline combines with acetyl coenzyme A (CoA) to produce acetylcholine.

Dopamine, norepinephrine and epinephrine are a group of neurotransmitters called "catecholamines". Norepinephrine is also called "noradrenalin" and epinephrine is also called "adrenalin". Each of these neurotransmitters is produced in a step-by-step fashion by a different enzyme.

Transport and Release of Neurotransmitters

Neurotransmitters are made in the cell body of the neuron and then transported down the axon to the axon terminal. Molecules of neurotransmitters are stored in small "packages" called vesicles (see the picture on the right). Neurotransmitters are released from the axon terminal when their vesicles "fuse" with the membrane of the axon terminal, spilling the neurotransmitter into the synaptic cleft.

Unlike other neurotransmitters, nitric oxide (NO) is not stored in synaptic vesicles. Rather, NO is released soon after it is produced and diffuses out of the neuron. NO then enters another cell where it activates enzymes for the production of "second messengers."

Receptor Binding

Neurotransmitters will bind only to specific receptors on the postsynaptic membrane that recognize them.

Inactivation of Neurotransmitters

The action of neurotransmitters can be stopped by four different mechanisms:


شاهد الفيديو: - Chemical neurotransmission - النقل العصبي الكيميائي النواقل العصبية وكيفية عملها (قد 2022).


تعليقات:

  1. Grora

    وبالمثل ، فأنت على اليمين

  2. Ryons

    عن طيب خاطر أنا أقبل. في رأيي ، إنه فعلي ، سأشارك في المناقشة. أعلم أنه معا يمكننا الوصول إلى إجابة صحيحة.

  3. Fet

    في رأيي ، أنت ترتكب خطأ. أرسل لي بريدًا إلكترونيًا في PM ، سنتحدث.

  4. Scilti

    هذه الفكرة ستكون مفيدة.

  5. Gerold

    يجب أن يخبرك أنك قد ضللت.

  6. Dix

    آسف لعدم تمكنه من المشاركة في المناقشة الآن - أنا مشغول جدًا. سأطلق سراحي - سأعرب بالتأكيد عن رأيي في هذه المسألة.

  7. Sepp

    يتفقون معك تماما. ويبدو لي أنها فكرة ممتازة. أنا أتفق معك.



اكتب رسالة