Загальна інформація
Застосування
Схема досліду з 2 давачами напруги. Осцилограф вимірює потенціали дії.
Найважливіша структурна і функціональна одиниця нервової системи - нервова клітина (нейрон). Нервові клітини відповідають за приймання і передавання інформації від головного мозку і до нього. Нейрони передають головному мозку різні повідомлення з різних частин тіла.
Тіло людини містить мільярди нервових клітин. Їхня форма, розмір і будова залежать від розташування і функції в організмі. Але загалом усі нервові клітини людського тіла мають три частини: тіло клітини, аксон і дендрити.
Інша інформація (1/5)
Попередні знання
Принцип
- Корисними будуть базові знання з нейробіології, зокрема про будову і принцип роботи нервової клітини.
- Якщо учні ще ніколи не працювали з осцилографом, цей дослід особливо добре надається до того, щоб ознайомити їх із його найважливішими функціями.
- Учні мали б у попередніх дослідах уже ознайомитися з цифровим вимірюванням за допомогою давачів Cobra SMARTsense і мобільних пристроїв - якщо не на уроках біології, то на уроках фізики чи хімії.
У цьому досліді досліджують принцип нейронного передавання даних, а також властивості різних синапсів.
Інша інформація (2/5)
Навчальна мета
Учнів ознайомлюють із принципом роботи нервової клітини, використовуючи нейронний блок «нейросимулятор», який моделює узагальнену нервову клітину з апікальним дендритом та його синаптичними контактами, тілом клітини (сомою) і нервовим волокном (аксоном) із мієліновими оболонками та перехватом Ранв'є.
Завдання
За допомогою моделі функціонування нерва можна дослідити такі аспекти нервової клітини: мембранний потенціал і потенціал дії, мембранна стала часу і фільтрація низьких частот, типи синапсів (збудливий синапс, геббівський синапс, гальмівний синапс, вето-синапс).
Інша інформація (3/5)
У 5 дослідах і серіях дослідів розглядають такі теми:
- Будова і функції нервових клітин, вимірювання потенціалів на мембранах: усі досліди
- Потенціал спокою, потенціал дії, проведення збудження: дослід 1
- Просторова і часова сумація: дослід 2
- Збудливий синапс, деполяризація: досліди 2, 3, 5
- Геббівський синапс, синаптичне навчання і забування: дослід 3
- Гальмівний синапс, гіперполяризація: дослід 4
- Вето-синапс: дослід 5
Модель синапса від SOMSO
Інша інформація (4/5)
У цьому досліді виконують як швидкі(понад 10.000 Гц) так і повільнівимірювання (до 1.000 Гц). Залежно від швидкості вимірювання застосовують різні вимірювальні прилади. Для швидких вимірювань (напр., вимірювання потенціалу дії) використовують осцилограф, а для повільних вимірювань добре надається давач напруги з родини Cobra SMARTsense зі своїм зручним інтерфейсом.
Якщо мембранний потенціал не вимірюють одночасно з потенціалом дії, корисно ввімкнути акустичний монітор потенціалу дії, щоб зробити його чутним.
Рекомендуємо, використовуючи обидва давачі SMARTsense Voltage, позначати, з якого давача записано які криві вимірювання, - найпростіше, надписавши колір кривої на клейких аркушиках (Post-it Notes) і наклеївши їх на давачі.
Інша інформація (5/5)
- Дендрит складається зі збудливих, гальмівних, пресинаптичних (вето-) і геббівських синапсів, позначених відповідними кольорами цоколів.
- З'єднання між відвідним (еферентним) аксоном нейронного блоку або гніздом виходу подразнення блоку керування і синапсом виконують білим кабелем, який вставляють у потрібне гніздо синапса.
- Жовте гніздо потенціалу дії (E) слугує для відведення стану збудження змодельованого нейрона. Його треба з'єднати з осцилографом. За допомогою вбудованого акустичного монітора потенціали дії можна зробити чутними.
- Жовте гніздо для вимірювання мембранного потенціалу (I)з'єднують із давачем Cobra SMARTsense Voltage.
- Ручка «S» слугує для встановлення «порога збудження» нейрона.
- Електричне коло для вимірювань замикають, під'єднавши до гнізда заземлення.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Набір «Нейробіологія» з однією нервовою клітиною, Cobra SMARTsense | 65963-22 | 1 |
| 2 | Нейрон, модель PHYWE | MOD-NEURON | 1 |
Теорія 1.1
Дослід 1 - Теорія 1/2
Мембранний потенціал і потенціал дії, мембранна стала часу
У цій серії дослідів досліджують мембранний потенціал і потенціал дії, а також мембранну сталу часу. Деполяризація мембрани має досягти певного значення або перевищити його, щоб виникли потенціали дії, - це поріг збудження. У багатьох нервових клітин значення порога збудження становить близько -50 мВ, проте воно різне для різних типів клітин. Навіть в окремих клітин він не має сталого значення. Радше його значення залежить від низки внутрішньоклітинних і позаклітинних чинників. Наприклад, одразу після виникнення потенціалу дії поріг збудження сильно підвищений і лише через певний час, як правило протягом 2-10 мс (рефрактерний період), повертається до свого початкового значення. Крім того, на поріг можуть впливати зовнішні модулятори, які діють прямо чи опосередковано на мембранні пори, а також зміни внутрішнього чи зовнішнього середовища.
Теорія 1.2
Дослід 1 - Теорія 2/2
Потенціал діївиникає внаслідок входу йонів натрію крізь натрієві канали нервових клітин. Рух подразнення вздовж аксона відбувається завдяки послідовному входу йонів натрію вздовж клітинної мембрани. Метод вимірювання в цьому досліді відрізняється від методу інших дослідів тим, що потенціал дії показують за допомогою осцилографа. В інших дослідах (за винятком дослідів, присвячених збудливому синапсу) натомість вимірюють мембранний потенціал (EPSP).
Складання та виконання 1
Складання і виконання
Дослід 1
Складання 1.1
Дослід 1 - Складання 1/4
Спершу ми вимірюванням доведемо, що потенціал дії (AP) залежить від збудливого постсинаптичного потенціалу (EPSP), змінюючи різні параметри.
Примітки:
Ручки регулюються плавно.
Ліва ручка: поріг збудження (нейросимулятор)
Права ручка: налаштування сили збудження каналів подразнення 1, 2 і 3 (блок керування)
Складання 1.2
Дослід 1 - Складання 2/4
- Сірим кабелем з'єднати блок керування нейросимулятора з нейросимулятором через обидва гнізда 9 В.
- Білим кабелем з'єднати канал подразнення 1 блоку керування (чорне гніздо) зі збудливим синапсом (зелене гніздо).
- Увімкнути блок керування.
Складання 1.3
Дослід 1 - Складання 3/4
Функції блоку керування
- Ручки інтенсивності подразнення для каналів подразнення 1-3
- Кнопки подразнення для каналів подразнення 1-3
- Чотири жовті виходи подразнення для вимірювальних приладів
- Чотири чорні виходи подразнення для синапсів
- Живлення для гнізда «9V in» першого нейросимулятора
- Фотодавач для досліду «Формування умовного рефлексу» з 2 нейросимуляторами
- Маса для замикання електричних кіл
Складання 1.4
Дослід 1 - Складання 4a/4
Схема досліду: потенціал дії
Схема досліду: мембранний потенціал
Розділ 17
Дослід 1 - Складання 4b/4
Для вимірювання і показу потенціалу дії за допомогою осцилографа для під'єднання обох 4-мм роз'ємів з'єднувальних провідників між нейросимулятором і осцилографом обов'язково використовуйте BNC-перехідник, як показано на рисунку праворуч.
Виконання 1.1
Дослід 1 - Виконання 1/3
Спершу вимірюють потенціал діїі мембранний потенціал .
При цьому в серії дослідів змінюють силу збудження подразникаі порогове значення порога збудження(кілька прикладів налаштувань див. на рисунках праворуч) і протоколюють, причому мінімальне відхилення ручки позначають як 0%, а максимальне - як 100%.
Спершу вимірюють потенціал дії осцилографом, а потім мембранний потенціал давачем SMARTsense Voltage.
Потенціал дії знімають на нейросимуляторі з каналу E, а мембранний потенціал - з каналу I. Електричне коло замикають, під'єднавши другий кабель до гнізда заземлення.
Виконання 1.2
Дослід 1 - Виконання 2/3
Найважливіші функції осцилографа
- 1: «Horizontal Scale»: розтягує потенціали дії на осі часу
- 2: ручка «CH1» для зміни амплітуди по осі Y
- 3: кнопка RUN/STOP: зупинення (заморожування) вимірювання на екрані
- 4: Cursor: вимірювальний інструмент для вимірювання проміжків часу між потенціалами дії
- 5: ручка «Multipurpose»: переміщення курсорів a, b і обох курсорів одночасно (ab)
Виконання 1.3
Дослід 1 - Виконання 3/3
Запис даних у measureAPP
- 1: вибрати давачі напруги.
- 2: за потреби змінити параметри відображення (колір, товщина лінії тощо).
- 3: встановити частоту опитування на максимум.
- 4: встановити ковзне середнє на 50 значень.
- 5: калібрування: якщо обидва давачі напруги вимірюють мембранний потенціал (гнізда I), при розімкненому колі встановити напругу на нуль.
Опрацювання результатів 1
Опрацювання результатів
Дослід 1
Результати 1.1
Дослід 1 - Результат 1/3
Типовий хід кривої потенціалу дії.
Пороговий потенціал - це критичне значення, до якого має деполяризуватися мембранний потенціал, щоб виник потенціал дії.
Порогове значення може змінюватися залежно від численних чинників, як-от йонні провідності натрію чи калію, діаметр аксона, а також щільність і властивості натрієвих каналів.
Результати 1.2
Дослід 1 - Результат 2/3
Вплив різних налаштувань на потенціал дії можна побачити безпосередньо під час натискання кнопки на блоці керування для активного каналу на екрані осцилографа, а також кількісно оцінити за допомогою функції Cursor осцилографа, як показано для прикладу на рисунку. Це дає змогу порівняти різні налаштування.
Результати опрацювання курсором на осцилографі - на зображенні внизу ліворуч
Результати 1.3
Дослід 1 - Результат 3/3
Відображення мембранного потенціалу
Найкращі результати вимірювання дістають, встановивши в програмі measureAPP частоту опитування давача Voltage на 1000 Гц і ковзне середнє «50».
Зауваження: якщо потенціал дії не вимірюють одночасно, для орієнтації його можна зробити чутним через акустичний монітор потенціалу дії (звуковий приклад: звукова доріжка зі зростанням частоти потенціалів дії).
Опрацювання результатів 1.1
Дослід 1 - Опрацювання результатів 1/2
Мембранний потенціал
Нейросимулятор вимірює мембранний потенціал, який у 100 разів більший за потенціал у справжній нервовій клітині:
Тобто, наприклад, якщо нейросимулятором виміряно порогове значення -5,41 В, це відповідає пороговому значенню -54,1 мВ у справжній нервовій клітині.
Порівняй порогові значення всіх вимірювань.
Опрацювання результатів 1.2
Дослід 1 - Опрацювання результатів 2/2
Мембранна стала часу і мембранна стала довжини
Використай вимірювальний інструмент (див. значок унизу) для визначення значень обох сталих.
Мембранна стала часу- це час, який минає до досягнення 63 % від на висхіднійділянці графіка.
Мембранна стала довжини- це час, який минає до досягнення 63 % від на спаднійділянці графіка.
Теорія 2.1
Дослід 2 - Теорія 1/2
Збудливий синапс
Збудливі синапси, як правило, розташовані на дистальних (віддалених від тіла клітини) ділянках дендритів. Аферентні сигнали, які надходять до клітини через збудливий синапс, деполяризують нейрон, тобто мембранний потенціал змінюється на більш позитивне значення. Оскільки потенціал спокою негативний відносно оточення клітини, він знижується за абсолютною величиною. Це відбувається головно завдяки надходженню йонів натрію в клітину. Стимулювальна дія деполяризації ґрунтується на зростанні мембранного потенціалу до близького до порога збудження значення або навіть вище. Медіаторами збудливих синапсів є, наприклад, ацетилхолін або глутамат.
Теорія 2.2
Дослід 2 - Теорія 2/2
Стимуляції через збудливі синапси деполяризують клітинну мембрану внутрішньоклітинного потенціалу, тобто градієнт напруги між внутрішнім і зовнішнім боками мембрани нервової клітини стає менш негативним. Можна виконати такі досліди:
1. Дія збудливого синапса
2. Часова сумація
3. Просторова сумація
4. Синаптичне підсилення завдяки кінцевим розгалуженням
Складання та виконання 2
Складання і виконання
Дослід 2
Складання 2.1
Дослід 2, частковий дослід 1 - Складання
Принцип дії збудливого синапса
Складають так само, як у попередніх дослідах.
Мембранний потенціал вимірюють давачем SMARTsense Voltage.
Можна ввімкнути акустичний монітор потенціалу дії.
- Нейросимулятор: ручка порога збудження: 0%
- Блок керування: ручка інтенсивності подразнення 1: 100%
Виконання 2.1
Дослід 2, частковий дослід 1 - Виконання
Натиснути кнопку стимуляції 1 приблизно на секунду.
Завершити вимірювання, щойно напруга збудливого постсинаптичного потенціалу (EPSP) досягне початкового значення.
Складання 2.2
Дослід 2, частковий дослід 2 - Складання
Часова сумація
Схема досліду як раніше.
- Нейросимулятор: ручка порога збудження: 50% (середнє положення)
- Блок керування: ручка інтенсивності подразнення 1: 66% (між середнім положенням і повним відхиленням)
У цьому частковому досліді використовують вбудований гучномовець блоку керування (акустичний монітор). Сигнал допомагає знайти таку силу подразнення, за якої акустичний сигнал не подається, якщо кнопку стимуляції натиснути дуже коротко: обережно відкалібрувати, повертаючи ручку стимуляції проти годинникової стрілки і натискаючи кнопку.
Виконання 2.2
Дослід 2, частковий дослід 2 - Виконання
Часова сумація (продовження)
- Натиснути й утримувати кнопку стимуляції. Під час вимірювання ходу кривої EPSP звертати увагу, на якій стадії вимірювання лунають акустичні сигнали, і протоколювати акустичні результати.
- Завершити вимірювання, щойно напруга EPSP досягне початкового значення.
Складання 2.3
Дослід 2, частковий дослід 3 - Складання
Просторова сумація / синаптичне підсилення завдяки кінцевому розгалуженню
Схема досліду як раніше, але додатково другий, а потім третій провідник від каналу подразнення 1 до інших збудливих синапсів (кінцеве розгалуження), а також з'єднання двох каналів подразнення кожен з іншим збудливим синапсом (просторова сумація).
- Нейросимулятор: ручка порога збудження: 50% (середнє положення)
- Блок керування: ручка інтенсивності подразнення 1: 33% (між нульовим і середнім положенням)
Виконання 2.3
Дослід 2, частковий дослід 3 - Виконання
Просторова сумація: канали подразнення 1 і 2 з'єднують кожен зі своїм збудливим синапсом. Тепер окремо для кожного каналу подразнення повільно зменшують рівень подразнення при постійно натиснутій кнопці, доки потенціали дії щойно перестануть виникати. Тепер кожним каналом подразнення викликають підпороговий EPSP. Якщо задіяти обидва канали подразнення одночасно, то внаслідок просторової сумації результівний EPSP стає надпороговим і виникають потенціали дії.
Синаптичне підсилення завдяки кінцевому розгалуженню: використовують лише канал подразнення 1, зі з'єднанням до двох або трьох збудливих синапсів. Решта - як вище.
Опрацювання результатів 2
Опрацювання результатів
Дослід 2
Розділ 37
Дослід 2, часткові досліди 1 і 2 - Результат
Вплив стимуляції збудливого синапса на мембранний потенціал (EPSP).
Часова сумація: крива вимірювання EPSP. Акустичний монітор сповіщає про виникнення потенціалів дії лише після тривалішого натискання кнопки подразнення.
Розділ 38
Дослід 2, часткові досліди 1 і 2 - Результат
Часова сумація: тлумачення
Події потенціалу дії: при тривалому натисканні кнопки подразнення акустичний монітор на короткий час подає сигнал потенціалу дії (червоні стрілки на кривій напруги EPSP).
Розділ 39
Дослід 2, частковий дослід 3 - Результат
Просторова сумація: спершу викликають лише одне подразнення (канал подразнення 1, потім канал подразнення 2), потім обидва одночасно.
Синаптичне підсилення завдяки кінцевому розгалуженню: спершу подразнення подають на один збудливий синапс, потім на два одночасно, наостанок на три.
Теорія 3.1
Дослід 3 - Теорія 1/3
Геббівський синапс
На анатомічному препараті геббівський синапс міститься на кінці дендритних шипиків. Це збудливий синапс зі змінними властивостями передавання. Синапси геббівського типу (названі на честь канадського нейробіолога і дослідника поведінки Дональда Гебба) - це збудливі синапси, які змінюють свої властивості передавання залежно від часових умов збудження. Починаючи з дуже малої сили передавання, відношення вихідного сигналу до вхідного сигналу синапса - коефіцієнт передавання - зростає, якщо одночасно виконано дві умови: по-перше, має бути наявний аферентний сигнал, по-друге, має бути внутрішньоклітинна деполяризація, яка не є результатом цього сигналу. Якщо ці дві умови виконуються протягом достатньо тривалого часу, настає тривале підсилення коефіцієнта передавання (довготривала потенціація = LTP), яке вважають основою процесів пам'яті. Якщо ці умови не виконуються протягом тривалого часу, настає «забування», тобто послаблення коефіцієнта передавання.
Теорія 3.2
Дослід 3 - Теорія 2/3
Підсилювальний ефект досягається, імовірно, завдяки збільшеному постсинаптичному входу йонів кальцію внаслідок відкриття додаткових потенціалозалежних кальцієвих каналів під час синаптичної потенціації. Результати дослідів дають підстави вважати, що глутамат як медіатор аферентного волокна зв'язується з N-метил-D-аспартатним (NMDA) рецептором постсинаптичної мембрани. Якщо дендрит поляризований недостатньо, бо активність інших збудливих аферентів надто мала, катіони магнію блокують рецептор, і LTP не може відбутися. За достатньо сильної поляризації магній уже не може зв'язуватися з NMDA-рецептором. Глутамат стає на його місце і спричиняє відкриття кальцієвих каналів: йони кальцію можуть проникати в клітину. Зростання постсинаптичної концентрації кальцію в дендритному шипику є передумовою стабілізації LTP. Вважають, що підвищена концентрація кальцію призводить до активації ферменту протеїнкінази, який переносить фосфатну групу на інші білки й таким чином їх активує. Якщо це мембранні білки, то можуть змінитися властивості йонних каналів і підвищитися активність клітини. Можна виконати такий дослід:
- Дія геббівського синапса - основний механізм синаптичної пластичності
Теорія 3.3
Дослід 3 - Теорія 3/3
Усі кроки записують в одному вимірюванні:
- Крок 1: активація геббівського синапса.
- Крок 2: активація збудливого синапса.
- Крок 3: послідовна активація геббівського і збудливого синапсів (без процесу навчання).
- Крок 4: одночасна активація геббівського і збудливого синапсів (процес навчання).
- Крок 5: активація геббівського синапса після процесу навчання.
- Крок 6: активація геббівського синапса після синаптичного забування.
Складання та виконання 3
Складання і виконання
Дослід 3
Складання 3.1
Дослід 3 - Складання 1/2
У цій послідовності часткових дослідів геббівський синапс і збудливий синапс з'єднують кожен зі своїм виходом подразнення блоку керування (чорні гнізда) . Після цього давач напруги з'єднують із жовтим гніздом (I) для вимірювання EPSP. При цьому замикають електричне коло, під'єднавши до гнізда заземлення.
За бажанням можна використати ще один давач напруги, щоб виміряти інтенсивність подразнення на геббівський синапс (жовте гніздо блоку керування).
Складання 3.2
Дослід 3 - Складання 2/2
- Нейросимулятор: ручка порога збудження: 0%
- Блок керування: ручка інтенсивності подразнення 1 та інтенсивності подразнення 2: по 100%
- Натисніть кнопку Reset на нейросимуляторі. Кнопка Reset запускає синаптичне забування.
Виконання 3.1
Дослід 3 - Виконання 1/2
- Розпочати вимірювання (зауваження: між кожним натисканням кнопки напруга EPSP має досягати початкового значення (бл. -7 В).
- 1-й відрізок серії вимірювань: тричі натиснути кнопку подразнення 1 на одну секунду для активації геббівського синапса.
- 2-й відрізок: тричі натиснути кнопку подразнення 2 на одну секунду для активації збудливого синапса.
- 3-й відрізок: кнопки подразнення 1 і 2 по черзі, кожну тричі на одну секунду, для послідовної активації геббівського і збудливого синапсів.
- 4-й відрізок: кнопки подразнення 1 і 2 одночасно 20 разів по одній секунді для одночасної активації геббівського і збудливого синапсів.
Виконання 3.2
Дослід 3 - Виконання 2/2
- 5-й відрізок: тричі натиснути кнопку подразнення 1 на одну секунду для активації геббівського синапса - у результаті помітна суттєва відмінність: порівняйте там 1-й відрізок із 5-м!
- Натиснути кнопку Reset нейросимулятора (синаптичне забування).
- 6-й відрізок: знову тричі натиснути кнопку подразнення 1 приблизно на секунду для активації геббівського синапса.
- Завершити вимірювання, щойно напруга досягне початкового значення.
- Зберегти й опрацювати результати.
Опрацювання результатів 3
Опрацювання результатів
Дослід 3
Результат 3.1
Дослід 3 - Результат 1/2
У measureAPP результат серії вимірювань має такий вигляд:
Результат 3.2
Дослід 3 - Результат 2/2
- Активація геббівського синапса.
- Активація збудливого синапса.
- Послідовна активація геббівського і збудливого синапсів (без процесу навчання).
- Одночасна активація геббівського і збудливого синапсів (процес навчання).
- Активація геббівського синапса після процесу навчання (порівняти з 1!).
- Активація геббівського синапса після синаптичного забування.
6 відрізків серії вимірювань можна витлумачити так:
Теорія 4
Дослід 4 - Теорія
Гальмівні (інгібіторні) синапси
Аферентні сигнали, які надходять до клітини через гальмівні синапси, гіперполяризують нейрон, тобто внутрішньоклітинний потенціал змінюється в негативному напрямку. Оскільки потенціал спокою вже негативний, негативна полярність посилюється: гіперполяризація. Це загалом є наслідком виходу катіонів калію з клітини і входу аніонів хлору. Гальмівна дія гіперполяризації ґрунтується на тому, що мембранний потенціал ще більше віддаляється від порога збудження. Поширений гальмівний медіатор - гамма-аміномасляна кислота (ГАМК). На анатомічному препараті місце гальмівного синапса - на стовбурі дендрита нервової клітини. Можна виконати такі досліди:
1. Гіперполяризація
2. Просторова гальмівно-збудлива сумація
Складання та виконання 4
Складання і виконання
Дослід 4
Складання 4.1.1
Дослід 4, частковий дослід 1 - Складання 1/2
Частковий дослід 1: гіперполяризація
У цьому досліді гальмівний синапс з'єднують з одним виходом подразнення блоку керування (чорні гнізда) . Після цього давач напруги з'єднують із жовтим гніздом (I) для вимірювання IPSP (гальмівного постсинаптичного потенціалу) . При цьому замикають електричне коло, під'єднавши до гнізда заземлення.
За бажанням можна використати ще один давач напруги, щоб виміряти інтенсивність подразнення на гальмівний синапс (жовте гніздо блоку керування).
Складання 4.1.2
Дослід 4, частковий дослід 1 - Складання 2/2
Нейросимулятор: ручка порога збудження: 50%
Блок керування: ручка інтенсивності подразнення 1: 50%
Виконання 4.1
Дослід 4, частковий дослід 1 - Виконання
- Натиснути кнопку Reset
- Розпочати вимірювання
- Натиснути кнопку подразнення 1 на одну-дві секунди.
- Завершити вимірювання, щойно напруга IPSP досягне початкового значення.
- Зберегти й опрацювати вимірювання.
Складання 4.2.1
Дослід 4, частковий дослід 2 - Складання 1/2
Частковий дослід 2: просторова гальмівно-збудлива сумація
Для вимірювання збудливого постсинаптичного потенціалу (EPSP) дослід складають так, як показано на зображенні.
Тепер ми вимірюємо силу подразнення збудливого синапса і EPSP як результат просторової гальмівно-збудливої сумації.
Складання 4.2.2
Дослід 4, частковий дослід 2 - Складання 2/2
- Нейросимулятор: ручка порога збудження: 0%
- Блок керування: ручка інтенсивності подразнення 1: 33%
- Блок керування: ручка інтенсивності подразнення 2: 100%
- Блок керування: ручка інтенсивності подразнення 3: 33%
Виконання 4.2
Дослід 4, частковий дослід 2 - Виконання
- Розпочати вимірювання.
- Утримувати натиснутою кнопку подразнення 2 для збудливого синапса протягом двох секунд.
- Додатково натиснути кнопку подразнення 1 на дві секунди.
- Тепер додатково натиснути кнопку подразнення 3 на дві секунди.
- Завершити вимірювання, щойно напруга EPSP досягне початкового значення.
- Зберегти й опрацювати результат.
Опрацювання результатів 4
Опрацювання результатів
Дослід 4
Результат 4.1
Дослід 4, частковий дослід 1 - Результат
Частковий дослід 1: гіперполяризація
Гальмівні синапси справляють гальмівну дію. Дія подібна до дії збудливих синапсів, але протилежна: негативна поляризація внутрішньоклітинного потенціалу зростає далі (> 70 мВ) = гіперполяризація = зменшене збудження.
Зверніть увагу: подання на показаному графіку оптимізовано зсуванням осей і використанням повноекранного режиму, і на вашому пристрої воно виглядатиме інакше.
Результат 4.2
Дослід 4, частковий дослід 2 - Результат
Частковий дослід 2: просторова гальмівно-збудлива сумація
Теорія 5
Дослід 5 - Теорія
Вето-синапс
Синапси з властивостями вето здебільшого пресинаптичні щодо збудливих синапсів. Вони перешкоджають збудженню постсинаптичних клітин, вибірково припиняючи передавання сигналу збудливим синапсом. Це може відбуватися через блокування розподілу медіатора у відповідних збудливих синапсах. Унаслідок цього постсинаптична клітина, залежно від інтенсивності сигналу на вето-синапсі, виявляє лише незначну деполяризацію або не виявляє її зовсім при одночасній активації збудливих і вето-гальмівних аферентів.
Сигнал лише на вето-синапсах не впливає на потенціал постсинаптичної клітини, і, на відміну від гальмівних синапсів, гіперполяризації не відбувається. Сигнали інших синапсів також не зазнають впливу. Такий вид гальмування називають «тихим гальмуванням», бо його не можна відвести. Далі виконують дослід «Дія вето-синапса».
Складання та виконання 5
Складання і виконання
Дослід 5
Складання 5.1
Дослід 5 - Складання 1/2
У цьому дослідізбудливий синапс і його вето-синапс з'єднують кожен зі своїм виходом подразнення блоку керування (чорні гнізда) . Після цього давач напруги з'єднують із жовтим гніздом (I) для вимірювання EPSP. При цьому замикають електричне коло, під'єднавши до гнізда заземлення.
За бажанням можна використати ще один давач напруги, щоб виміряти інтенсивність подразнення на вето-синапс (жовте гніздо блоку керування). Завдяки цьому криву вимірювання легше витлумачити.
Складання 5.2
Дослід 5 - Складання 2/2
Нейросимулятор, ручка порога збудження: 50%
Блок керування, ручка інтенсивності подразнення 1: 66%
Блок керування, ручка інтенсивності подразнення 2: 66%
Виконання 5
Дослід 5 - Виконання
Розпочати вимірювання.
Натиснути кнопку подразнення 1 на одну-дві секунди. Зачекати, доки напруга EPSP досягне початкового значення.
Натиснути кнопку подразнення 2 на одну-дві секунди. Зачекати, доки напруга EPSP досягне початкового значення.
Натиснути кнопку подразнення 1. Утримувати кнопку натиснутою дві секунди. Тепер додатково натиснути кнопку подразнення 2 й утримувати обидві кнопки натиснутими одну-дві секунди.
Завершити вимірювання, щойно напруга EPSP досягне початкового значення.
Зберегти й опрацювати результати.
Опрацювання результатів 5
Опрацювання результатів
Дослід 5
Результат 5
Дослід 5 - Результат
Вето-синапс не спричиняє зміни мембранного потенціалу (так зване тихе гальмування). Він діє лише на той збудливий синапс, до якого під'єднаний (так зване пресинаптичне гальмування, або шунтувальне гальмування, shunting inhibition). Просторової сумації не відбувається.
Глосарій
Глосарій
Глосарій: збудливий синапс
Такі синапси, як правило, розташовані на дистальних (віддалених від тіла клітини) ділянках дендритів. Аферентні сигнали, які надходять до клітини через збудливий синапс, деполяризують нейрон, тобто внутрішньоклітинний потенціал змінюється на більш позитивне значення. Оскільки потенціал спокою негативний відносно оточення клітини, він знижується за абсолютною величиною. Це відбувається головно завдяки надходженню йонів натрію в клітину. Стимулювальна дія деполяризації ґрунтується на зростанні мембранного потенціалу до близького до порога збудження значення або навіть вище. Медіаторами збудливих синапсів є, наприклад, ацетилхолін або глутамат.
Глосарій
Глосарій: гальмівний синапс
Гальмівні (інгібіторні) синапси справляють гальмівну дію. Аферентні сигнали, які надходять до клітини через гальмівні синапси, гіперполяризують нейрон, тобто внутрішньоклітинний потенціал змінюється в негативному напрямку. Оскільки потенціал спокою вже негативний, негативна полярність посилюється: гіперполяризація. Її загалом спричиняє вихід катіонів калію з клітини і вхід аніонів хлору. Гальмівна дія гіперполяризації ґрунтується на тому, що мембранний потенціал ще більше віддаляється від порога збудження. Поширений гальмівний медіатор - гамма-аміномасляна кислота (ГАМК).
Глосарій
Глосарій: геббівський синапс (1/2)
Синапси геббівського типу (названі на честь канадського нейробіолога і дослідника поведінки Дональда Гебба) - це збудливі синапси, які змінюють свої властивості передавання залежно від часових умов збудження. Починаючи з дуже малої сили передавання, відношення вихідного сигналу до вхідного сигналу синапса - коефіцієнт передавання - зростає, якщо одночасно виконано дві умови: по-перше, має бути наявний аферентний сигнал, по-друге, має бути внутрішньоклітинна деполяризація, яка не є результатом цього сигналу. Якщо ці дві умови виконуються протягом достатньо тривалого часу, настає тривале підсилення коефіцієнта передавання (довготривала потенціація = LTP), яке вважають основою процесів пам'яті. «Забування», тобто послаблення коефіцієнта передавання, настає тоді, коли ці умови не виконуються протягом тривалого часу.
Глосарій
Глосарій: геббівський синапс (2/2)
Підсилювальний ефект досягається, імовірно, завдяки збільшеному постсинаптичному входу йонів кальцію внаслідок відкриття додаткових потенціалозалежних кальцієвих каналів під час синаптичної потенціації. Результати дослідів дають підстави вважати, що глутамат як медіатор аферентного волокна зв'язується з N-метил-D-аспартатним (NMDA) рецептором постсинаптичної мембрани. Якщо дендрит поляризований недостатньо, бо активність інших збудливих аферентів надто мала, катіони магнію блокують рецептор, і LTP не може відбутися. За достатньо сильної поляризації магній уже не може зв'язуватися з NMDA-рецептором. Глутамат стає на його місце і спричиняє відкриття кальцієвих каналів: йони кальцію можуть проникати в клітину. Зростання постсинаптичної концентрації кальцію в дендритному шипику є передумовою стабілізації LTP. Вважають, що підвищена концентрація кальцію призводить до активації ферменту протеїнкінази, який переносить фосфатну групу на інші білки й таким чином їх активує. Якщо це мембранні білки, то можуть змінитися властивості йонних каналів і так підвищитися активність клітини.
Глосарій
Глосарій: вето-синапс
Синапси з властивостями вето здебільшого пресинаптичні щодо збудливих синапсів. Вони перешкоджають збудженню постсинаптичних клітин, вибірково припиняючи передавання сигналу збудливим синапсом. Цього можна досягти блокуванням розподілу медіатора у відповідних збудливих синапсах. Унаслідок цього постсинаптична клітина, залежно від інтенсивності сигналу на вето-синапсі, виявляє лише незначну деполяризацію або не виявляє її зовсім при одночасній активації збудливих і вето-гальмівних аферентів. Сигнал лише на вето-синапсах не впливає на потенціал постсинаптичної клітини; на відміну від гальмівних синапсів, гіперполяризації не відбувається. Сигнали інших синапсів так само не зазнають впливу. Такий вид гальмування називають «тихим гальмуванням», бо його не можна відвести.
Глосарій
Глосарій: відведення (1/2)
Електрофізіологічні відведення активності нервових клітин - це вимірювання напруг або часових змін напруги всередині чи зовні клітини за допомогою електродів. Опорою для відведеної напруги слугує потенціал електрода, розміщеного в препараті в нейтральному місці (0-потенціал, потенціал землі). Відвідний електрод називають різницевим, а електрод маси - індиферентним. Величина відведеної напруги залежить від положення відвідного електрода відносно активної нервової тканини. Вона найбільша, коли вістря електрода перебуває всередині клітини. Такі внутрішньоклітинні електроди - це здебільшого тонко витягнуті капіляри, наповнені розчином електроліту. Діаметр їхнього вістря менший за один мікрометр. При позаклітинному відведенні виміряна напруга менша, бо електрод у цьому разі перебуває поза клітиною і часто на великій відстані від неї. Такі електроди не потребують настільки тонких вістер (зазвичай від 2 до 10 мікрометрів), тож вони міцніші. Позаклітинне відведення часто триває довше, бо клітину не проколюють і вона краще лишається неушкодженою.
Глосарій
Глосарій: відведення (2/2)
Особлива форма відведення - електроенцефалограма. Тут локальну електричну активність великої частини головного мозку відводять безпосередньо з поверхні черепа. Через велику відстань до активної тканини приймають лише дуже слабкі сигнали, тож їх доводиться обробляти різними технічними хитрощами. Оскільки відведений сигнал є нерозділюваною сумою активностей багатьох тисяч нервових клітин, цим методом не вдається дістати подробиць про опрацювання інформації.
Глосарій
Глосарій: поріг збудження
Внутрішньоклітинна деполяризація має досягти певного значення або перевищити його, щоб могли виникнути потенціали дії, - це поріг збудження. Отже, він відповідає граничному значенню для потенціалу. У багатьох нервових клітин значення порога збудження становить близько -50 мВ, проте воно різне для різних типів клітин. Навіть в окремих клітин він не має сталого значення. Радше його значення залежить від низки внутрішньоклітинних і позаклітинних чинників. Наприклад, одразу після виникнення потенціалу дії поріг збудження сильно підвищений і лише через певний час, як правило протягом 2-10 мс (рефрактерний період), повертається до свого початкового значення. Крім того, на поріг можуть впливати зовнішні модулятори, які діють прямо чи опосередковано на мембранні пори, а також зміни внутрішнього чи зовнішнього середовища.