Mozek a chování, vnější prostředí neuronu doc. MUDr. Markéta Bébarová, Ph.D. Fyziologický ústav, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita Tato prezentace obsahuje pouze stručný výtah nejdůležitějších pojmů a faktů. V žádném případně není sama o sobě dostatečným zdrojem pro studium ke zkoušce z Neurověd. Obrázky a tabulky použity z: - Principles of Neural Science (5th ed.), Kandel et al. (2013) - Medical Physiology (2nd ed.), Boron and Boulpaep (2012) - Neuroscience (4th ed.), Purves et al. (2008) - Medical Neurobiology (1st ed.), Mason (2011) - Přehled lékařské fyziologie (20. vyd.), Ganong (2005) - Atlas fyziologie člověka (6. vyd.), Silbernagl a Despopoulos (2004) Funkční oblasti CNS Occipital lobe Funkční oblasti CNS B Cerebral hemisphere Corpus callosum Diencephalon Midbrain Pons Cerebellum Medulla oblongata Spinal cord Funkční oblasti mozkové kůry 20 Funkční oblasti mozku Metody měření regionálního průtoku krve mozkem, tedy aktivity různých oblastí mozku PET (pozitronová emisní tomografie) - látka označena radionuklidy s krátkou životností - látku injikujeme, její přibývání a následné ubývání sledujeme scintilačními detektory umístěnými kolem hlavy - např. označená 2-deoxyglukóza - spotřeba dobrým ukazatelem průtoku Funkční oblasti mozku A Looking at words B Listening to words C Speaking words D Thinking of words Funkční oblasti mozku Metody měření regionálního průtoku krve mozkem, tedy aktivity různých oblastí mozku fMRI (funkční magnetická rezonance) - lepší rozlišení - redukovaný hemoglobin se stává paramagnetickým, mění signál emitovaný krví, lze tak měřit množství oxy-a deoxyhemoglobinu jako ukazatel průtoku krve Homeostáza stálost vnitřního prostředí endokrinní, imunitní systémfnervovy systém) Homeostáza - nervový systém • mozek je "chytrý" - když je to možné, anticipuje pravděpodobné změny v homeostáze -> všechny anticipační homeostatické zásahy vyžadují funkční přední mozek (volní reakce) • nečekané výchylky v homeostáze -> zajišťovány většinou nevědomými reflexy na úrovni míchy a mozkového kmene Nervový systém a chování • Funkce, při kterých je nezbytná interakce se zevním prostředím, vyžadují účast chování a jsou projevem činnosti mozku. • Chování, od jednoduchých po složité formy, vyžaduje účast tří hlavních funkčních sestav mozku: senzorických, výkonných a motivačních. Cerebral hemispheres, diencephalon, cerebellum, brainstem, and spinal cord (analysis and integration of sensory and motor information) Sensory receptors (at surface and within the body) INTERNAL AND EXTERNAL ENVIRONMENT MOTOR COMPONENTS VISCERAL SOMATIC MOTOR MOTOR SYSTEM SYSTEM (sympathetic, parasympathetic, and enteric Motor nerves divisions) Autonomic ganglia and nerves EFFECTOI Smooth muscles, cardiac muscles, and glands muscles Chování podle cíle, k němuž směřuje energetická rovnováha objem vody a osmolarita teplota dlouhodobá výkonnost udržení a upevnění zdraví reprodukční, sexuální obranné Neuron • přibližně 1011 nervových buněk (glie cca 10 krát více) • společný rys - individualita • liší se lokalizací, stavbou, spoji, fyziologickými vlastnostmi a funkcí • neurony tvořící shluky (jádra) nebo vrstvy mají —Axon * Většina neuronů sdílí následující: • vznikají z ektodermu • 4 morfologické oblasti - dendrity, tělo, axon, synaptické terminály Model Component neuron Input Sensory neuron Motor neuron Local ínterneuron Projection ínterneuron Neuroendocrine cell Většina neuronů sdílí následující: • 4 funkční komponenty - vstupní, integrační, vedení vzruchu, výstupní • generují elektrické potenciály • komunikují s dalšími neurony Model Sensory Motor Local Projection Neuroendocrine Component neuron neuron neuron interneuron interneuron cell Neuron Zákon dynamické polarizace neuronů: Nervová informace se šíří jedním směrem z dendritů a těla do axonu a synaptických zakončení. (Cajal) Glie CNS - oligodendrocyty, astrocyty, mikroglie PNS - Schwannovy bunky (A) Astrocyte (B) Oligodendrocyte (C) Microglial cell CNS PNS A OLIGODENDROCYTE Oligodendrocyte Myelin wrapping B SCHWANN CELL Schwann cell Layers of myelin sheath - demyelinizační onemocnění Astrocyty • metabolické funkce: K+, pH, oxidatívni stress (GSH), zásoba energie (glykogen), glutamát-glutamin • modulace synaptické aktivity, reparace tkáně Kompartmenty mozku Intracellular compartment of the brain Neurons Neuroglia Cerebral and spinal arterial blood Blood-brain barrier (vascular endothelium) i Interstitial compartment of the brain i Postcapillary venules and veins Cerebral veins Blood-CS (choroid e F barrier pithelium) Cerebrospinal fluid compartment Arachnoid villi Venous blood of dural sinuses and spinal veins Mozková cirkulace TABLE 34-1 Resting blood flow and 02 consumption of various organs in a 63-kg adult man with a mean arterial blood pressure of 90 mm Hg and an 02 consumption of 250 mL/min. Blood Flow Arteriovenous _ flUlfMAH Oxygen Consumption Resistance (R units)* Percentage of Total Region Mass (kg) mL/min mL/100 g/min uxygen Difference (mL/L) mL/100 mL/min g/min Absolute per kg Cardiac Output Oxygen Consumption Liver 2.6 1500 57.7 34 51 2.0 3.6 9.4 27.8 20.4 Kidneys 0.3 1260 420.0 14 18 6.0 4.3 1.3 23.3 7.2 Brain 1.4 750 54.0 62 46 3.3 7.2 10.1 13.9 18.4 Skin 3.6 462 12.8 25 12 0.3 11.7 42.1 8.6 4.8 Skeletal muscle 31.0 840 2.7 60 50 0.2 6.4 198.4 15.6 20.0 Heart muscle 0.3 250 84.0 114 29 9.7 21.4 6.4 4.7 11.6 Rest of body 23.8 336 1.4 129 44 0.2 16.1 383.2 6.2 17.6 Whole body 63.0 5400 8.6 46 250 0.4 1.0 63.0 100.0 100.0 aR units are pressure (mm Hg) divided by blood flow (mL/s). Reproduced with permission from Bard P (editor): Medical Physiology, 11th ed. Mosby, 1961. Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition. Mozková cirkulace musí zajistit: 1) konstantní dostatečný přísun krve (ztráta vědomí během několika sekund mozkové ischemie, ireverzibilní poškození během několika minut) 2) dynamickou redistribuci krve (metabolická hyperémie) Mozková cirkulace • Anatomické zvláštnosti mozkové cirkulace: 1) circulus arteriosus cerebri (propojení hlavních mozkových tepen anastomózami) 2) velmi vysoká kapilarizace (3000 - 4000 kapilár / mm2 šedé hmoty) ~ minimalizace difúzni dráhy pro plyny i jiné látky 3) velmi krátké arterioly (téměř 1/2 cévního odporu připadá na artérie, které jsou bohatě inervovány) Mozková cirkulace Funkční adaptace mozkové cirkulace: vysoký a stabilní průtok krve vysoká extrakce kyslíku dobře Vyvinutá autoregulace (myogenní i metabolická) vysoká reaktivita na změny koncentrace C02 lokální vs. celková hypoxie inervace Mozková cirkulace 100 co O 50 sympatikus 70 140 Arterial pressure (mm Hg) Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition. Mozková cirkulace • Zvláštní fyzikální podmínky mozkové cirkulace: 1) pevný obal mozku lebkou Monro-Kelliova teorie -> zvýšení průtoku se může uskutečnit pouze zrychlením krevního toku, nikoliv zvětšením kapacity reciste -» Cushingův reflex (nádor, krvácení) 2) gravitace ortostáza (posturální synkopa) Mozková cirkulace • Hematoencefalická bariéra mozkové kapiláry - těsné interendotelové spoje Mozková cirkulace • Hematoencefalická bariéra Volně difundují: -> látky rozpustné v tucích (02, C02, xenon; nevázané formy steroidních hormonů) -> voda (aquaporiny; osmolalita krve a mozkomíšního moku je stejná!) glukóza - hlavní zdroj energie pro nervové buňky (volná difúze pomalá - urychleno díky GLUT) Transcelulárním transportem (regulovaně): -> ionty (např. H+, HCO3- vs. C02!) -> dále transportéry pro hormony štítné žlázy, některé organické kys., cholin, prekurzory nukleových kys., aminokyseliny, ... Mozková cirkulace • Hematoencefalická bariéra • Funkce: - udržení konstantního složení prostředí obklopujícího neurony - ochrana mozku před endogenními i exogenními toxiny - prevence úniku neurotransmiterů do cirkulace Mozkomíšní mok - tvorba - Epithelium, Choroid 450-550 ml/den (z toho cca 70 % v plexus choriodei) cirkulující objem: 130-150 m tlak v lumbální oblasti u ležícího pacienta: 70-180 mmH20 Mozkomíšní mok -zz— ■ v r Substance CSF Plasma CSF/Plasma - s ozeni - WIW^WIM Na+ (meq/kgH20) 147.0 150.0 0.98 K+ (meq/kgH20) 2.9 4.6 0.62 Mg2+ (meq/kgH20) 2.2 1.6 1.39 Ca2+ (meq/kgH20) 2.3 4.7 0.49 Cl" (meq/kgH20) 113.0 99.0 1.14 HCO3- (meq/L) 25.1 24.8 1.01 Pco2 (mmHg) 50.2 39.5 1.28 pH 7.33 7.40 Osmolality (mosm/kg H20) 289.0 289.0 1.00 Protein (mg/dL) 20.0 6000.0 0.003 Glucose (mg/dL) 64.0 100.0 0.64 Inorganic P (mg/dL) 3.4 4.7 0.73 Urea (mg/dL) 12.0 15.0 0.80 Creatinine (mg/dL) 1.5 1.2 1.25 Uric acid (mg/dL) 1.5 5.0 0.30 Cholesterol (mg/dL) 0.2 175.0 0.001 Mozkomíšní mok - cirkulace Interhemispheric cistern Choroid plexus of the lateral ventricle Arachnoid granulations Choroid plexus of the third ventricle Transverse cistern Interventricular foramen Basal Í Chiasmatic cistern cistern Interpeduncular cistern Cerebral aqueduct Ambient cistern Vermian cistern Choroid plexus of the fourth ventricle Konto- —<■-■ medullary cistern \ Cerebellomedullary cistern with median aperture of the fourth ventricle Fig. 10.4 Circulation of the cerebrospinal fluid Arachnoid Dura Arachnoid membrane mater granulations Superior sagittal sinus Trabecula ^Arachnoid mater JPia mater Glia limitans Cerebral cortex A MEC HAN I SM OF CSF ABSOR PTION Venous sinus Arachnoid villus Dura -mater B RATE OF CSF ABSORPTION 1.6 1.2 Flow (ml/min) 0.8 0.4 CSF volume is constant in time when absorption equals formation (steady state). CSF formation 70 100 112 CSF pressure (mm H20) 2C0 Mozkomíšní mok - funkce mechanická a ochranná a™»**»* the lateral ventricle drenážní homeostatická přenos informací Fig. 10.4 Circulation of the cerebrospinal fluid Mozkomíšní mok - funkce mechanická a ochranná drenážní homeostatická přenos informací Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition Outer table of skull Trabecular bone Inner table of skull Dura mater Subdural (potential) space Arachnoid Subarachnoid space Arachnoid trabeculae Artery Pia mater Perivascular spaces Brain Mozková cirkulace Paraventrikulární orgány ~ oblasti mozku, kde chybí hematoencefalická bariéra (fenestrované kapiláry) - sekrece polypeptidů do oběhu (oxytocin, vazopresin, ...), - chemorecepční zóny (AP) - osmorecepční zóny (OVLT) Ganong's Review of Medical Physiology, 23rd edition. Průtok krve mozkem celkový: Fickův princip - Ketyho metoda inhalace N20 perfúzní CT invazivní metody (lokální monitoring na neurochirurgii): - průtok: sonda s termistory -p02 ultrazvuk magistrálních tepen transkraniální dopplerovská ultrasonografie PET, fMRI Zdroje energie • glukóza (není zapotřebí inzulín) astrocyty GLUT 1 přenašeče (-> laktát) neurony GLUT 3 přenašeče • za určitých podmínek: ketolátky: hladovění, cukrovka • mozek novorozence taky volné mastné kyseliny Využití energie • většina energie v neuronech se spotřebuje na udržení membránových gradientů a přenos elektrických signálů • část glukózy v neuronech je přeměněna na aminokyseliny a tuky • část z celkové spotřeby glukózy mozkem využívá glie Amoniak • nadbytečný amoniak v nervové tkáni se váže na glutamát a opouští mozek ve formě glutaminu, (v ledvinách je opačná reakce) • amoniak je pro nervovou tkáň toxický -> hepatická encefalopatie