Podsumowanie (neurofizjologia) - Summation (neurophysiology)
Sumowanie , które obejmuje zarówno sumowanie przestrzenne, jak i sumowanie czasowe , jest procesem, który określa, czy potencjał czynnościowy zostanie wygenerowany przez połączone efekty sygnałów pobudzających i hamujących , zarówno z wielu jednoczesnych sygnałów wejściowych (sumowanie przestrzenne), jak i z powtarzanych sygnałów wejściowych ( sumowanie czasowe). W zależności od sumy wielu pojedynczych wejść, sumowanie może, ale nie musi, osiągnąć napięcie progowe, aby wyzwolić potencjał czynnościowy.
Neuroprzekaźniki uwalniane z terminali o presynaptycznych neuronu do jednej z dwóch kategorii , w zależności od kanałów jonowych bramkowanych lub modulowane przez receptor neuroprzekaźnika . Neuroprzekaźniki pobudzające powodują depolaryzację komórki postsynaptycznej, podczas gdy hiperpolaryzacja wywołana przez neuroprzekaźnik hamujący łagodzi skutki neuroprzekaźnika pobudzającego. Ta depolaryzacja nazywana jest EPSP lub pobudzającym potencjałem postsynaptycznym , a hiperpolaryzacja nazywa się IPSP lub hamującym potencjałem postsynaptycznym .
Jedyny wpływ, jaki neurony mogą wywierać na siebie nawzajem, to pobudzenie, hamowanie i – poprzez przekaźniki modulujące – wzajemne oddziaływanie na pobudliwość. Z tak małego zestawu podstawowych interakcji łańcuch neuronów może wytworzyć tylko ograniczoną odpowiedź. Ścieżka może być ułatwiona przez pobudzający wkład; usunięcie takiego wkładu stanowi utrudnienie . Szlak może być również zahamowany; usunięcie wkładu hamującego stanowi odhamowanie , które, jeśli inne źródła pobudzenia są obecne we wkładu hamującym, może wzmocnić pobudzenie.
Gdy dany neuron docelowy otrzymuje dane wejściowe z wielu źródeł, dane wejściowe mogą być sumowane przestrzennie, jeśli dane wejściowe docierają na tyle blisko w czasie, że wpływ najwcześniej przychodzących danych wejściowych jeszcze się nie zmniejszył. Jeśli neuron docelowy otrzymuje dane wejściowe z pojedynczego zakończenia aksonu, a dane wejściowe pojawiają się wielokrotnie w krótkich odstępach czasu, dane wejściowe mogą sumować się w czasie.
Historia
Układ nerwowy po raz pierwszy zaczął być objęty ogólnymi badaniami fizjologicznymi pod koniec XIX wieku, kiedy Charles Sherrington zaczął testować właściwości elektryczne neuronów. Jego główny wkład w neurofizjologię obejmował badanie odruchu kolanowego i wnioskowanie, jakie wyciągnął między dwiema wzajemnymi siłami pobudzenia i hamowania. Postulował, że miejscem, w którym zachodzi ta odpowiedź modulacyjna, jest przestrzeń międzykomórkowa jednokierunkowej ścieżki obwodów neuronowych. Po raz pierwszy przedstawił możliwą rolę ewolucji i hamowania neuronowego, sugerując, że „wyższe ośrodki mózgu hamują funkcje pobudzające niższych ośrodków”.
Znaczna część dzisiejszej wiedzy na temat chemicznej transmisji synaptycznej pochodzi z eksperymentów analizujących skutki uwalniania acetylocholiny w połączeniach nerwowo-mięśniowych , zwanych również płytkami końcowymi . Pionierami w tej dziedzinie byli Bernard Katz i Alan Hodgkin, którzy wykorzystali akson olbrzymiej kałamarnicy jako eksperymentalny model do badania układu nerwowego. Stosunkowo duży rozmiar neuronów pozwolił na zastosowanie elektrod o cienkich końcówkach do monitorowania zmian elektrofizjologicznych, które oscylują w poprzek błony. W 1941 roku zastosowanie przez Katza mikroelektrod w nerwie kulszowym brzuchatego łydki żabich nóg oświetliło pole. Wkrótce uogólniono, że sam potencjał płytki końcowej (EPP) wyzwala potencjał czynnościowy mięśni, co objawia się skurczami żabich nóg.
Jednym z przełomowych odkryć Katza, w badaniach przeprowadzonych z Paulem Fattem w 1951 roku, było to, że spontaniczne zmiany w potencjale błony komórek mięśniowych zachodzą nawet bez stymulacji presynaptycznego neuronu ruchowego. Te skoki potencjału są podobne do potencjałów czynnościowych, z tym wyjątkiem, że są znacznie mniejsze, zwykle poniżej 1 mV; nazwano je zatem miniaturowymi potencjałami płytki końcowej (MEPP). W 1954 r. wprowadzenie pierwszych obrazów zakończeń postsynaptycznych z mikroskopu elektronowego ujawniło, że te MEPP zostały utworzone przez pęcherzyki synaptyczne przenoszące neuroprzekaźniki. Sporadyczny charakter uwalniania kwantowych ilości neuroprzekaźników doprowadził do „hipotezy pęcherzyków” Katza i del Castillo, która przypisuje kwantyzację uwalniania przekaźników jego powiązaniu z pęcherzykami synaptycznymi. To również wskazało Katzowi, że generowanie potencjału czynnościowego może być wywołane przez zsumowanie tych indywidualnych jednostek, z których każda jest odpowiednikiem MEPP.
Rodzaje
W każdej chwili neuron może otrzymać potencjały postsynaptyczne od tysięcy innych neuronów. To, czy próg zostanie osiągnięty i wygenerowany potencjał czynnościowy, zależy od przestrzennego (tj. z wielu neuronów) i czasowego (z pojedynczego neuronu) sumowania wszystkich danych wejściowych w tym momencie. Tradycyjnie uważa się, że im bliżej ciała komórki neuronu znajduje się synapsa, tym większy jest jej wpływ na końcowe sumowanie. Dzieje się tak, ponieważ potencjały postsynaptyczne przemieszczają się przez dendryty, które zawierają niskie stężenie kanałów jonowych bramkowanych napięciem . Dlatego potencjał postsynaptyczny osłabia się do czasu dotarcia do ciała komórki neuronu. Ciało komórki neuronowej działa jak komputer, integrując (dodając lub sumując) przychodzące potencjały. Potencjał netto jest następnie przekazywany do wzgórka aksonu , gdzie inicjowany jest potencjał czynnościowy. Innym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest sumowanie pobudzających i hamujących wejść synaptycznych. Przestrzenne sumowanie wejścia hamującego unieważni wejście pobudzające. Ten szeroko obserwowany efekt nazywa się hamującym „przetaczaniem” EPSP.
Sumowanie przestrzenne
Sumowanie przestrzenne jest mechanizmem wywoływania potencjału czynnościowego w neuronie z danymi wejściowymi z wielu komórek presynaptycznych. Jest to algebraiczne sumowanie potencjałów z różnych obszarów wejściowych, zwykle na dendrytach . Sumowanie pobudzających potencjałów postsynaptycznych zwiększa prawdopodobieństwo, że potencjał osiągnie potencjał progowy i wygeneruje potencjał czynnościowy, podczas gdy sumowanie hamujących potencjałów postsynaptycznych może uniemożliwić komórce osiągnięcie potencjału czynnościowego. Im bliżej wejścia dendrytycznego znajduje się wzgórek aksonu, tym większy potencjał wpłynie na prawdopodobieństwo wystrzelenia potencjału czynnościowego w komórce postsynaptycznej.
Sumowanie czasowe
Sumowanie czasowe występuje, gdy wysoka częstotliwość potencjałów czynnościowych w neuronie presynaptycznym wywołuje potencjały postsynaptyczne, które sumują się ze sobą. Czas trwania potencjału postsynaptycznego jest dłuższy niż przerwa między nadchodzącymi potencjałami czynnościowymi. Jeżeli stała czasowa błony komórkowej jest dostatecznie długa, jak w przypadku ciała komórki, to suma wzrasta. Amplituda jednego potencjału postsynaptycznego w momencie rozpoczęcia następnego, sumuje się z nim algebraicznie, generując większy potencjał niż potencjały indywidualne. Dzięki temu potencjał błonowy osiąga próg generowania potencjału czynnościowego.
Mechanizm
Neuroprzekaźniki wiążą się z receptorami, które otwierają lub zamykają kanały jonowe w komórce postsynaptycznej, tworząc potencjały postsynaptyczne (PSP). Potencjały te zmieniają szanse na potencjał czynnościowy występujący w neuronie postsynaptycznym. PSP są uważane za pobudzające, jeśli zwiększają prawdopodobieństwo wystąpienia potencjału czynnościowego i hamujące, jeśli zmniejszają szanse.
Glutaminian jako pobudzający przykład
Wiadomo na przykład, że neuroprzekaźnik glutaminianowy wyzwala pobudzające potencjały postsynaptyczne (EPSP) u kręgowców. Manipulacja eksperymentalna może spowodować uwolnienie glutaminianu poprzez nietężcową stymulację neuronu presynaptycznego. Glutaminian następnie wiąże się z receptorami AMPA zawartymi w błonie postsynaptycznej, powodując napływ dodatnio naładowanych atomów sodu. Ten wewnętrzny przepływ sodu prowadzi do krótkotrwałej depolaryzacji neuronu postsynaptycznego i EPSP. Podczas gdy pojedyncza depolaryzacja tego rodzaju może nie mieć większego wpływu na neuron postsynaptyczny, powtarzające się depolaryzacje wywołane stymulacją o wysokiej częstotliwości mogą prowadzić do sumowania EPSP i przekroczenia potencjału progowego.
GABA jako przykład hamujący
W przeciwieństwie do glutaminianu, neuroprzekaźnik GABA działa głównie w celu wyzwalania hamujących potencjałów postsynaptycznych (IPSP) u kręgowców. Wiązanie GABA z receptorem postsynaptycznym powoduje otwarcie kanałów jonowych, które albo powodują dopływ ujemnie naładowanych jonów chlorkowych do komórki, albo wypływ dodatnio naładowanych jonów potasu z komórki. Efektem tych dwóch opcji jest hiperpolaryzacja komórki postsynaptycznej lub IPSP. Sumowanie z innymi IPSP i kontrastującymi EPSP określa, czy potencjał postsynaptyczny osiągnie próg i spowoduje zapłon potencjału czynnościowego w neuronie postsynaptycznym.
EPSP i depolaryzacja
Dopóki potencjał błonowy jest poniżej progu dla impulsów wyzwalających, potencjał błonowy może sumować dane wejściowe. Oznacza to, że jeśli neuroprzekaźnik w jednej synapsie powoduje niewielką depolaryzację, jednoczesne uwolnienie przekaźnika w innej synapsie zlokalizowanej w innym miejscu w tym samym ciele komórki spowoduje większą depolaryzację. Nazywa się to sumowaniem przestrzennym i uzupełniane jest sumowaniem czasowym, w którym kolejne uwalnianie nadajnika z jednej synapsy spowoduje postępującą zmianę polaryzacji, o ile zmiany presynaptyczne zachodzą szybciej niż tempo zaniku zmian potencjału błonowego w neuronie postsynaptycznym. Efekty neuroprzekaźników trwają kilkakrotnie dłużej niż impulsy presynaptyczne, a tym samym pozwalają na sumowanie efektów. W ten sposób EPSP różni się od potencjałów czynnościowych w sposób fundamentalny: sumuje dane wejściowe i wyraża stopniowaną reakcję, w przeciwieństwie do odpowiedzi typu „wszystko albo nic” wyładowania impulsowego.
IPSP i hiperpolaryzacja
W tym samym czasie, gdy dany neuron postsynaptyczny odbiera i sumuje neuroprzekaźnik pobudzający, może również otrzymywać sprzeczne komunikaty, które każą mu się wyłączyć. Te hamujące wpływy (IPSP) są pośredniczone przez hamujące układy neuroprzekaźników, które powodują hiperpolaryzację błon postsynaptycznych. Takie efekty przypisuje się ogólnie otwarciu selektywnych kanałów jonowych, które pozwalają albo wewnątrzkomórkowemu potasowi na opuszczenie komórki postsynaptycznej, albo na wejście chlorku pozakomórkowego. W obu przypadkach efektem netto jest zwiększenie wewnątrzkomórkowej negatywności i przesunięcie potencjału błonowego dalej od progu generowania impulsów.
EPSP, IPSP i przetwarzanie algebraiczne
Kiedy EPSP i IPSP są generowane jednocześnie w tej samej komórce, odpowiedź wyjściowa będzie określona przez względną siłę wejść pobudzających i hamujących. Instrukcje wyjściowe są zatem określane przez to algebraiczne przetwarzanie informacji. Ponieważ próg wyładowania przez synapsę jest funkcją działających na nią salw presynaptycznych, a dany neuron może odbierać rozgałęzienia z wielu aksonów, przechodzenie impulsów w sieci takich synaps może być bardzo zróżnicowane. Uniwersalność synapsy wynika z jej zdolności do modyfikowania informacji poprzez algebraiczne sumowanie sygnałów wejściowych. Kolejna zmiana progu stymulacji błony postsynaptycznej może być wzmocniona lub zahamowana, w zależności od zaangażowanej substancji chemicznej będącej przekaźnikiem i przepuszczalności jonów. W ten sposób synapsa działa jako punkt decyzyjny, w którym informacja się zbiega, i jest modyfikowana przez przetwarzanie algebraiczne EPSP i IPSP. Oprócz mechanizmu hamowania IPSP, istnieje presynaptyczny rodzaj hamowania, który obejmuje albo hiperpolaryzację na hamowanym aksonie, albo trwałą depolaryzację; to, czy jest to pierwsze, czy drugie, zależy od konkretnych zaangażowanych neuronów.
Obecne badania
Mikroelektrody stosowane przez Katza i jemu współczesnych bledną w porównaniu z dostępnymi dzisiaj zaawansowanymi technologicznie technikami rejestracji. Sumowanie przestrzenne zaczęło przyciągać dużą uwagę badaczy, gdy opracowano techniki, które umożliwiły jednoczesne rejestrowanie wielu loci na drzewie dendrytycznym. Wiele eksperymentów obejmuje wykorzystanie neuronów czuciowych, zwłaszcza neuronów optycznych, ponieważ stale uwzględniają one różną częstotliwość sygnałów wejściowych zarówno hamujących, jak i pobudzających. Współczesne badania sumowania neuronowego skupiają się na tłumieniu potencjałów postsynaptycznych na dendrytach i ciele komórki neuronu. Mówi się, że te interakcje są nieliniowe, ponieważ odpowiedź jest mniejsza niż suma indywidualnych odpowiedzi. Czasami może to być spowodowane zjawiskiem wywołanym przez zahamowanie zwanym przetaczaniem , czyli obniżonym przewodnictwem pobudzających potencjałów postsynaptycznych.
Hamowanie przetaczania wykazano w pracach Michaela Ariela i Naoki Kogo, którzy eksperymentowali z zapisem całej komórki na podstawowym jądrze wzrokowym żółwia. Ich praca wykazała, że przestrzenne sumowanie pobudzających i hamujących potencjałów postsynaptycznych powodowało osłabienie odpowiedzi pobudzającej podczas odpowiedzi hamującej przez większość czasu. Zauważyli również chwilowe nasilenie reakcji pobudzającej występujące po tłumieniu. Jako kontrolę zbadali tłumienie, gdy kanały wrażliwe na napięcie były aktywowane prądem hiperpolaryzacji. Doszli do wniosku, że tłumienie nie jest spowodowane hiperpolaryzacją, ale otwarciem kanałów receptora synaptycznego, powodującym zmiany przewodnictwa.
Potencjalne zastosowania terapeutyczne
Jeśli chodzi o stymulację nocyceptywną , sumowanie przestrzenne to zdolność do integracji bolesnych bodźców z dużych obszarów, podczas gdy sumowanie czasowe odnosi się do zdolności do integrowania powtarzających się bodźców nocyceptywnych. Powszechny i długotrwały ból jest cechą wielu przewlekłych zespołów bólowych. Sugeruje to, że zarówno przestrzenne, jak i czasowe podsumowania są ważne w przewlekłych stanach bólowych. Rzeczywiście, poprzez eksperymenty ze stymulacją uciskową wykazano, że sumowanie przestrzenne ułatwia sumowanie czasowe bodźców nocyceptywnych, w szczególności bólu uciskowego. Dlatego jednoczesne ukierunkowanie na mechanizmy sumowania przestrzennego i czasowego może przynieść korzyści w leczeniu przewlekłych stanów bólowych.