wykład 1 - wstęp

Question 1

Metody badawcze w neuronauce

Answer 1

– Pomiar aktywności elektrycznej mózgu
– Biologiczne podstawy sygnału rejestrowanego przez EEG
– Standardy prowadzenia badań EEG
– Analiza częstotliwościowa
– Analiza potecjałów zdarzeniowych
– Zalety i ograniczenia elektroencefalografii

Question 2

Pomiar aktywności elektrycznej mózgu

Answer 2

-pomiar inwazyjny:
ICR = Intra Cranial Recording, Single
Neuron Recording,
ECoG = ElektroKortykoGrafia

-pomiar nieinwazyjny (na powierzchni czaszki):
EEG = ElektroEncefaloGrafia

Question 3

Tło historyczne - Pomiar aktywności elektrycznej mózgu

Answer 3

1879 r.
Richard Caton rejestracja potencjałów elektrycznych
generowanych przez mózg królika, psa

1890 r.
Adolf Beck i Napoleon Cybulski Zakład Fizjologii i Histologii CMUJ,
Oznaczenie lokalizacji w mózgu i rdzeniu za pomocą zjawisk elektrycznych
(m.in. potencjały wywołane i desynchronizacja EEG)

1929 r.
Hans Berger I rejestracja aktywności elektrycznej generowanej
przez mózg człowieka (m.in. opis rytmów alfa i beta w zapisie EEG)

Question 4

Bariera krew – mózg

Answer 4

o Mechanizm sprawiający, że większość substancji chemicznych nie może się przedostać do mózgu
o Jest w celu zminimalizowania ryzyka utraty komórek nerwowych -> bariera ta nie pozwala wirusom, bakteriom i innym szkodliwym substancjom przenikać do tkanki nerwowej

Question 5

Jak działa bariera krew-mózg?

Answer 5

o Powstaje dzięki odpowiedniemu uporządkowaniu komórek śródbłonka kapilar mózgowych
o Wady – bariera nie pozwala na przenikanie do układu nerwowego większości substancji odżywczych
o Pasywne przechodzenie przez barierę – cząsteczki pozbawione ładunku elektrycznego – tlen i związki rozpuszczalne w tłuszczach
o Aktywny transport przez barierę – glukoza, aminokwasy, niektóre witaminy, hormony

Question 6

POTENCJAŁ SPOCZYNKOWY NEURONU

Answer 6

> W nieobecności czynników zewnętrznych, błona zachowuje STAN POLARYZACJI – różnicy ładunku elektrycznego -> wnętrze neuronu jest naładowane ujemnie względem zewnętrza -> ta różnica potencjałów – to POTENCJAŁ SPOCZYNKOWY

o Błona jest selektywnie przepuszczalna – co oznacza, że niektóre cząsteczki mogą przez nią przechodzić łatwiej niż inne
o Błona w STANIE SPOCZYNKOWYM ma ZAMKNIĘTE kanały SODOWE, co oznacza całkowite zatrzymanie przepływu sodu. Kanały potasowe są przymknięte, ale nie całkowicie pozamykane, dlatego możliwy jest też powolny przepływ potasu.
o Stężenie jonów sodu Na+ na zewnątrz błony jest dziesięciokrotnie wyższe niż wewnątrz, bo POMPA SODOWO-POTASOWA, która jest kompleksem białkowym, wypompowuje 3 jony sodu na zewnątrz komórki i wciąga 2 jony potasu do wewnątrz.
 Pompa jest skuteczna tylko ze względu na SELEKTYWNĄ PRZEPUSZCZALNOŚĆ BŁONY, która zapobiega wpływaniu z powrotem do wnętrza komórki wypompowanych jonów sodu.

Question 7

GRADIENTY W POTENCJALE SPOCZYNKOWYM

Answer 7

> Błona neuronu utrzymuje GRADIENT ELEKTRYCZNY – różnicę ładunku elektrycznego między wnętrzem, a zewnętrzem komórki

o GRADIENT ELEKTRYCZY – dąży do wciągnięcia sodu do wnętrza
o GRADIENT STĘŻEŃ - różnica w rozmieszczeniu jonów między wnętrzem i zewnętrzem błony.
o Podsumowując: na K+ potas działają dwie siły – gradient stężeń wypycha, a gradient elektryczny – wpycha; zaś na sód Na + - przy obu gradientach wpuszczanie jonów do środka.

Question 8

DEPOLARYZACJA

Answer 8

Różnica między progiem, a potencjałem czynnościowym - DEPOLARYZACJA, która przekroczy poziom progowy, powoduje powstanie POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO. Depolaryzacja, która nie osiąga progu go nie wywołuje

Question 9

HIPERPOLARYZACJA

Answer 9

zwiększona polaryzacja – przekraczające zwykły stan neuronu nagromadzenie się ujemnego ładunku wewnątrz komórki – prowadząc do bardziej ujemnego potencjału niż w warunkach normalnych. DEPOLARYZACJA to ubytek ujemnego ładunku wewnątrz komórki.

Question 10

NAPIĘCIOZALEŻNYMI KANAŁAMI JONOWYMI

Answer 10

Białka kontrolujące przepływ sodu są NAPIĘCIOZALEŻNYMI KANAŁAMI JONOWYMI, czyli kanałami, których przepuszczalność zależy od różnicy potencjału po obu stronach błony.

Question 11

Leki znieczulające miejscowo

Answer 11

– Nowokaina, Ksylokaina – przyłączają się do kanałów sodowych błony, zapobiegając przechodzeniu jonów sodu. Na tej podstawie leki te blokują potencjały czynnościowe w danym rejonie.

Question 12

Leki znieczulające ogólnie

Answer 12

eter, chloroform – obniżają aktywność mózgu, otwierając szerzej niż zwykle określone kanały potasowe. Uniemożliwia to powstanie potencjału czynnościowego.

Question 13

Prawo WSZYSTKO ALBO NIC

Answer 13

amplituda i szybkość potencjału czynnościowego jest niezależna od bodźca, który go wywołał

– analogia do spłuczki w toalecie – trzeba ją nacisnąć z odpowiednią siłą – progową – ale naciskanie spłuczki mocniej nie spowoduje, że woda popłynie szybciej, czy bardziej intensywniej.

Question 14

OKRES REFRAKCJI

Answer 14

– taka przerwa w generowaniu potencjałów czynnościowych

o Okres refrakcji BEZWZGLĘDNEJ – kanały potasowe są mocno pozamykane, dlatego błona nie może wygenerować potencjału czynnościowego, bez względu na siłę stymulacji.
o W drugiej części okresu refrakcji – OKRESIE REFRAKCJI WZGLĘDNEJ – kanały sodowe powracają do swojego zwykłego stanu, ale kanały potasowe pozostają otwarte. Ponieważ potas ma całkowitą swobodę przepływu, potrzeba bodźca silniejszego niż zwykle, by wywołać potencjał czynnościowy. (da się spuścić wodę, ale jest to utrudnione

Question 15

GDZIE ZOSTAJE ZAPOCZĄTKOWANY POTENCJAŁ?

JAK BIEGNIE?

Answer 15

Potencjał zostaje zapoczątkowany na WZGÓRKU AKSONALNYM – zgrubieniu, gdzie akson opuszcza ciało komórki

o Biegnie on jak fala wzdłuż aksonu – ROZCHODZENIE SIĘ POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO WZDŁUŻ AKSONU..
o OSŁONKA MIELINOWA – materiał zwiększa prędkość przewodzenia o więcej niż 100 m/s
o PRZEWODZENIE SKOKOWE – przeskakiwanie potencjału czynnościowego od węzła do węzła (chodzi o węzły Ranviera, które nie są okryte osłonką mieliniową, które praktycznie nie mają kanałów sodowych i potencjał czynnościowy jest b. słaby)

Question 16

NEURONY LOKALNE

Answer 16

takie neurony, które posiadają tylko krótkie dendryty i równie krótkie, o ile w ogóle, aksony, wymieniają informacje tylko ze swoimi najbliższymi sąsiadami. Neuron lokalny nie generuje potencjałów czynnościowych. Otrzymuje on informacje tylko od neuronów znajdujących się w jego bezpośrednim sąsiedztwie i generuje POTENCJAŁY POSTSYNAPTYCZNE, które mają zmienną siłę i nie podlegają regule wszystko albo nic.

> SYNAPSA – szczególny rodzaj komunikacji między dwoma neuronami

Question 17

ŁUK ODRUCHOWY

Answer 17

pętla biegnąca od pobudzenia neuronu czuciowego do reakcji mięśnia.
Kilka słabych bodźców zastosowanych w niewielkim przedziale czasowym lub na ograniczonej powierzchni, wywołuje silniejszy odruch niż pojedynczy bodziec.
o Wynika z tego, że synapsa jest zdolna do SUMOWANIA – dodawania do siebie różnych bodźców.
Prędkość przewodzenia impulsu w łuku odruchowym jest znacznie mniejsza od znanej prędkości przewodzenia impulsu przez akson. Wydedukowanie, że w obrębie synapsy, transmisja impulsu między jednym a drugim neuronem musi być znacznie wolniejsza od przewodzenia impulsu przez akson

Question 18

SUMOWANIE CZASOWE

Answer 18

kumulacja efektów działania bodźców powtarzalnych w krótkim czasie
o Gdy Sherrington kłuł psa w łapę bardzo lekko, łapa się nie ruszała, jednak, gdy kujnął ją kilkukrotnie, lekko się podnosiła. Czym szybsza seria ukuć w krótkim czasie, tym silniejsza reakcja.
o EPSP – lokalna depolaryzacja - postsynaptyczny potencjał pobudzający – powstaje w skutek napływu jonów sodu do wnętrza komórki. Aktywacja synapsy otwiera kanały sodowe i zwiększa przepływ jonów sodu przez błonę.
 EPSP jest zdarzeniem podprogowym, które wygasa z czasem, a dodatkowo – jego siła słabnie wraz z rozchodzeniem się po błonie.

Question 19

SUMOWANIE PRZESTRZENNE

Answer 19

kilka synaps zlokalizowanych w różnych miejscach może sumować swoje oddziaływanie na neuron. Jedno ukłucie nic nie dawało, ale dwa ukłucia w łapę w tym samym momencie, powodowały uniesienie

Question 20

SYNAPSY HAMUJĄCE

Answer 20

o Ukłucie w łapę powoduje wysłanie informacji przez neuron czuciowy do interneuronu w rdzeniu kręgowym. Interneuron pobudza neurony ruchowe, które łączą się z mięśniami zginaczami tej łapy.
o IPSP – inhibitory postsynaptic potencial – postsynaptyczny potencjał hamujący – chwilowa hiperpolaryzacja błony.
 Ma miejsce wtedy, gdy oddziaływanie synapsy wybiórczo otwiera kanały dla wypływającego z komórki potasu, który unosi ze sobą ładunek dodatni, albo napływającego do komórki chloru – który ma ładunek ujemny.
 Hamowanie to coś więcej niż brak pobudzenia. To aktywny mechanizm, który jest zdolny powstrzymywać reakcje pobudzeniowe.

Question 21

porównanie IPSP i EPSP

Answer 21

im więcej EPSP, tym większe prawdopodobieństwo wygenerowania postsynaptycznego potencjału czynnościowego; im więcej IPSP, tym mniejsze prawdopodobieństwo wygenerowania potencjału czynnościowego

Question 22

Co właściwie mierzy EEG?

Answer 22

• EEG NIE mierzy potencjałów czynnościowych
• EEG mierzy zsumowane potencjały postsynaptyczne
  (EPSP i IPSP) komórek piramidowych kory mózgowej

Question 23

jakie komórki są istotne dla EPSP i IPSP?

Answer 23

komórki piramidowe V warstwa

Question 24

Wypustki komórek piramidowych ułożone są:

Answer 24

• równolegle do siebie (tworzą pole otwarte, dipole nie znoszą się wzajemnie)
• prostopadle do powierzchni kory
• duża odległość między nimi i równoległe ułożenie wypustek sprawia, że tworzą się dipole

Question 25

Pojedyncza komórka piramidowa

może utworzyć

Answer 25

ok. 100 000 synaps.

Question 26

jak dokładnie wygląda pomiar EEG? - jak jest rejestrowany potencjał dodatni?

Answer 26

• aksony ze wzgórza dochodzące do dendrytów podstawnych (warstwa IV) doprowadzają do pobudzającego potencjału postsynaptycznego (EPSP)
  i utworzenia pozakomórkowego zlewu prądowego
• w konsekwencji bierne źródło prądowe tworzy się na poziomie dendrytów wierzchołowych (warstwa I) i prąd płynie w stronę warstwy V
• na powierzchni skóry głowy rejestrowany jest potencjał dodatni

Question 27

jak dokładnie wygląda pomiar EEG? - jak jest rejestrowany potencjał ujemny?

Answer 27

- aksony z kontralateralnej półkuli
mózgu dochodzące do dendrytów
wierzchołowych (warstwa I)
doprowadzają do pobudzającego
potencjału postsynaptycznego
(EPSP) i utworzenia
pozakomórkowego zlewu
prądowego

• w konsekwencji bierne źródło
  prądowe tworzy się na poziomie
  dendrytów podstawnych (warstwa
  IV) i prąd płynie w stronę warstwy I
• na powierzchni skóry głowy
  rejestrowany jest potencjał ujemny

Question 28

Problem pofałdowania kory

Answer 28

potencjał po prawej jest mniej
negatywny ze względu na
większy udział dodatnich
ładunków z pofałdowanej
powierzchni kory

Question 29

Problem lokalizacji źródła sygnału

Answer 29

istnieje nieskończona liczba kombinacji połączeń między różnymi obszarami
kory, których aktywność może dać dokładnie taki sam rezultat na powierzchni
czaszki

Question 30

Problem typu aktywności

Answer 30

nie wiadomo, czy sygnał wynikowy odzwierciedla EPSP czy IPSP

Question 31

system EEG

Answer 31

Międzynarodowy System 10 - 20

Question 32

Referencja

Answer 32

Metoda jednobiegunowa
-rejestracja potencjałów z miejsc aktywnych (powierzchnia
czaszki) i referowanie ich do miejsca elektrycznie obojętnego,
które nie wykazuje zaangażowania w daną aktywność

Question 33

Podstawowe źródła artefaktów

Answer 33

– ruchy oczu
– artefakty mięśniowe
– artefakty pochodzące z aktywności układu krwionośnego
– oscylacje z sieci elektrycznej

Question 34

Aktywność elektryczna mózgu

Answer 34

aktywność toniczna i fazowa

paradygmat oddball

Question 35

aktywność toniczna:

Answer 35

<> pomiar spontanicznej aktywności elektrycznej mózgu
> analiza widma mocy, power spectrum analysis
> klasyfikacja spontanicznej aktywności mózgu w oparciu o charakterystykę częstotliwości sygnałów

<> analiza widma mocy dekompozycja sygnału EEG
na częstotliwości składowe, opierająca się na szybkiej
transformacji Fouriera

Question 36

aktywność fazowa:

Answer 36

pomiar potencjałów zdarzeniowych/skorelowanych ze zdarzeniem
(event related potentials, ERPs)
mental chronometry, time locked analysis

Question 37

Własności komponentów ERPs

Answer 37

• polarność (dodatnia vs ujemna)
• latencja
• amplituda
• topograficzny rozkład