Transcript Media:Comp-neural-biologica

Uma Introdução à Computação
Neural Biológica
Dijalma Fardin Júnior
[email protected]
[email protected]
Sumário
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Células Nervosas
Canais Iônicos
Potencial de Membrana
O Potencial de Ação
Transmissão Sináptica
Integração Sináptica
Conclusão
Classes
• Células Gliais
• Neurônios
– Existem cerca de 10¹¹ neurônios no
cérebro humano
– Nascem até uma certa idade e, a
partir daí, aparentemente
praticamente apenas morrem,
sugerindo que estes guardam
informação e que não podem ser
substituídos sem perda da mesma.
– Neurônios são células nervosas
individuais que conduzem os sinais
elétricos
– Possuem uma morfologia simples
• As informações processadas pelos
neurônios são sinais elétricos
Células Nervosas
Tipos de Neurônios - Funcionalidade
Células Nervosas
Células Nervosas
Canais Iônicos
• Membrana Plasmática
– Espessura – 6 a 8 nm
– Consiste de um mosaico de lipídios e
proteínas (canais iônicos)
• A base física usada para a
manipulação dos sinais elétricos
são os canais iônicos que se
localizam na membrana
plasmática.
• Propriedades
–
–
–
–
–
Conduzem os íons
São seletivos
Vazão – 108 íons/segundo
Espessura – 6 a 8 angstrons
A sua ação gera as diferenças de
potencial que irão conduzir as
Células Nervosas informações pelos neurônios.
Classificação
• Não-reguláveis
– Resting Channels
• Reguláveis
– Abrem e fecham nas
respostas aos vários
estímulos. Podem ser:
• Voltage-gated – alterações
na voltagem
• Ligand-gated –
transmissores químicos
• Mechanically gated –
Pressão ou esforço
Canais Iônicos
Características
• O fluxo de íons através dos
canais, não consome energia
• Alguns canais comportam-se
como resistores simples,
funcionando como canais
“Ohmicos”. Para estes temos:
– i = Vm / R ou
– i = Vm × (1/R)
• Cada canal tem ao menos um
estado aberto e um ou dois
estados fechados. A transição
entre estes estados é chamado
de gating.
Canais Iônicos
Potencial de Repouso da Membrana
• No descanso, uma célula nervosa possui um excesso de íons
positivos (Na+, K+) do lado de fora da membrana, que é mantido
por bombas iônicas de Na+ e K+.
• O potencial de membrana (Vm) é definido como:
Vm = Vin – Vout.
• Por convenção, o potencial do lado de fora da célula é igual a
ZERO. Ou seja, no descanso:
Vr = Vin (Geralmente em torno de –60 a –70 mV)
• A direção do fluxo da corrente é, convencionalmente, definida
como a direção do movimento de circulação das cargas positivas.
Ou seja, os cátions (K+, Na+) se movem na direção da corrente,
enquanto os ânions (Cl- e A-) em direção contrária.
Células Nervosas
Distribuição Iônica no Repouso
Íon
Líquido
Citoplasma Extracelular
(mM)
(mM)
Potencial de
Equilíbrio
(mV)
K+
400
20
-75
Na+
50
440
+55
Cl-
52
560
-60
A- (ânion orgânico)
385
-
-
É o potencial de membrana na qual não
ocorreria fluxo efetivo de cada um destes
íons através da membrana celular, apesar
da diferença de concentração.
Potencial de Membrana
Polarização
• Quando existe um fluxo líquido de cátions ou ânions para
dentro ou fora da célula, a separação de carga ao longo da
membrana celular é alterada, alterando também a
polarização da membrana. Esta pode ser:
– Despolarização – alteração para um potencial de membrana menos
negativo.
• Quando esta se aproxima de um nível crítico, chamado de threshold, a
célula responde ativamente com a abertura dos canais voltage-gated
em número sufuciente para produzir um Potencial de Ação.
– Hiperpolarização - alteração para um potencial de membrana mais
negativo.
– Potencial Eletrotônico - mudanças no potencial de membrana que
não determinam a abertura dos canais iônicos voltage-gated.
Potencial de Membrana
Potencial de Equilíbrio das células gliais
• Nas células gliais, a maioria dos resting channels são permeáveis apenas ao
K+. Estas células possuem alta concentração de K+ e A- em seu interior.
• Íons K+ podem, eventualmente, difundir-se de dentro pra fora devido a sua alta
concentração.
• Neste caso, o exterior da membrana passaria a acumular cargas positivas e, em
seu interior, cargas negativas, concentrando-se nas faces da membrana.
• A separação produziria uma ddp elétrica crescente que se oporia à força do
gradiente de concentração, impedindo a continuação do efluxo de K+:
– Em um determinado momento, as duas forças tornam-se iguais, com direção
oposta.
Neste momento,
oX
valor do potencial é conhecido como Potencial de
Ex – Potencial
de Equilíbrio
de um íon
Equilíbrio
Potássio.
R – Constante
dos gasesdeideais


RT
X
o
T •– Temperatura
(Kelvin)
Ele pode ser
calculado usando a Equação de Nernst: E 
ln
X
Z – Valência do íon X
ZF X i
F – Constante de Faraday
Xo – Concentração do íon X fora da célula
Xi – Concentração íon X dentro da célula
Potencial de Membrana
Potencial de Equilíbrio nos Neurônios
• Nos neurônios, apenas os ânions orgânicos não atravessam a membrana celular.
Como interagem os íons?
• Considerando, por um momento, que uma pequena quantidade de Na+ atravesse
a membrana, existem duas forças fazendo com que estes íons entrem para dentro
da célula, que são:
– A força química, por ser o Na+ mais concentrado no exterior, e
– A força elétrica, causada pela ddp através da membrana.
• O influxo de Na+ despolariza a célula, afastando o potencial de membrana do
potencial de equilíbrio de K+ (-75 mV), embora não o aproximando o suficiente
do potencial de equilíbrio de Na+, que é +55 mV.
• Quanto maior a despolarização, mais o gradiente de concentração impulsionará o
K+ para fora da célula e, conseqüentemente, maior será o efluxo de K+.
• Eventualmente, o potencial de membrana atingirá um novo valor de equilíbrio no
qual o efluxo dos íons K+ contrabalance o influxo dos íons de Na+:
– A célula não pode permitir que os movimentos passivos de Na+ e K+ ocorram sem
oposição, visto que os gradientes iônicos, necessários para o bom funcionamento da
célula, iriam ser dissipados.
Potencial de Membrana
Bomba de Na+ e K+
• A dissipação é impedida pela
Bomba de Na+ e K+, que
move os íons contra seus
gradientes eletroquímicos.
• Ela precisa de energia para
funcionar, que é obtida
através da hidrólise do ATP.
• Desta forma, o Potencial de
Repouso da Membrana não
está em equilíbrio e sim, em
um estado estável.
Potencial de Membrana
Bomba de Na+ e K+
• Ela expulsa 3 íons de Na+ para
cada 2 íons de K+ que traz para
seu interior e, por isso, é dita de
eletrogênica, ou seja, gera uma
corrente iônica efetiva de efluxo,
que tende a hiperpolarizar a
membrana até um novo potencial
de repouso.
• No novo potencial de repouso, o
fluxo passivo efetivo de influxo,
pelos canais iônicos,
contrabalança precisamente o
fluxo ativo de efluxo, produzido
pela bomba.
Potencial de Membrana
Vm – Potencial de Repouso da Membrana
R – Constante dos gases ideais
T – Temperatura (Kelvin)
F – Constante de Faraday
[X+]o – Concentração do íon X+ fora da célula
Determinação do Potencial de
Repouso da Membrana
[X+] i – Concentração íon X + dentro da célula
• Embora os fluxos de
e
definam
o valor do potencial de
P – Permeabilidade do íon X
repouso da membrana, Vm, este não é igual a EK nem a ENa, mas fica
entre eles.
• Quando Vm é determinado por duas ou mais espécies iônicas, a
influência de cada espécie é determinada tanto por suas
concentrações dentro e fora da célula como pela permeabilidade da
membrana a cada íon. Essa relação é expressa pela equação de
Goldman:
Na+
K+
x
 
 

 
 

 
 

RT Pk K o  PNa Na o  PCl Cl
Vm 
ln
F
Pk K  i  PNa Na  i  PCl Cl 
Potencial de Membrana
i
o
Circuito Elétrico Equivalente
•
Cada canal de K+ atua como uma
resistência (rk), de modo que o
fluxo pode ser calculado usando a
lei de Ohm
V
i
rk
• Usando a condutância, o inverso da
resistência, temos:
i = V.lk
•
Cada resting channel contribui para
a geração de uma ddp entre as duas
faces da membrana. Uma fonte de
potencial elétrico é chamado de
força eletromotriz e uma força
eletromotriz gerado por potencial
químico é chamado de bateria.
Potencial de Membrana
Circuito Elétrico Equivalente
• Uma célula contém muitos
resting channels de K+, e todos
estes podem ser combinados
em um mesmo circuito
equivalente, consistindo em um
condutor em série com uma
bateria.
• Como a bateria nesse circuito
depende exclusivamente do
gradiente de concentração de
K+, sendo independente no
número de canais, então seu
valor é Ek.
Potencial de Membrana
Circuito Elétrico Equivalente
• Por analogia, todos os canais passivos de
Cl- e Na+ podem ser representados por
combinações semelhantes.
Potencial de Membrana
Circuito Elétrico Equivalente
Face Extracelular
• O fluxo passivo de corrente
pode ser modelado por um
circuito elétrico equivalente
que inclui elementos
representativos dos canais gNa
íons-seletivos da membrana
e por vias de curto-circuito ENa
do líquido extra-celular e do
citoplasma
gK
gCl
EK
ECl
Face Intracelular
Potencial de Membrana
Circuito Elétrico Equivalente
• Os fluxos estáveis de íons de Na+ e K+ são contrabalançados pelos fluxos
iônicos ativos, mantidos pela bomba de Na+-K+.
• A bomba de Na+-K+ mantém a carga da bateria iônica e pode ser adicionada ao
circuito sob a forma de geradores de corrente
• Para o neurônio os materiais condutores são o citoplasma e o líquido celular,
sendo a bicamada lipídica, o material isolante. Dado que ela é atravessada pelos
canais iônicos, a membrana é um capacitor vazante.
Potencial de Membrana
Potencial de Ação
• A transferência de informação entre os
neurônios se dá pelo potencial de ação.
• É iniciado por uma corrente iônica através
dos canais de Na+ voltage-gated.
• Um sinal de entrada qualquer despolariza a
membrana plasmática abrindo os canais de
Na+ , permitindo um aumento destes íons no
interior da célula.
Canais Iônicos
Potencial de Ação
Na célula em repouso, o influxo de Na + é contrabalançado
pelo efluxo deUma
K +, tornando
o potencial
repouso constante.
despolarização
causa de
uma
abertura rápida dos canais de Na +,
resultando na geração de uma
corrente para dentro de Na +.
O efluxo de K + continua e existe uma pequena
difusão de Cl - para o interior da célula, diminuindo
a tendência de despolarização do influxo de Na +.
Porém, quando a membrana é despolarizada
para além do limiar, o balanço é alterado.
(Fase de Despolarização)
O ciclo de feedback positivo
regenerativo ocorre de forma
explosiva.
(Fase de Repolarização)
Além do limiar, os canais iônicos voltage-gated
de Na+ se abrem, aumentando a permeabilidade
da membrana aos íons de Na +, elevando o Potencial
de Membrana para próximo do potencial de
+ (E ), produzindo assim, uma maior
equilíbrio deÀNa
Na que prossegue a despolarização, os canais
medida
despolarização
da+célula!
de Na
são gradualmente inativados e os canais de K
voltam a ficar abertos novamente, produzindo um
efluxo de carga positiva da célula que persiste até
a célula
tenha
+ eK
+, dentro
A concentração de Naque
da repolarizado até seu Potencial de
célula, é mantida pelaRepouso.
Bomba de Na + e K +.
Potencial de Membrana
(Fase de Hiperpolarização)
+
O Potencial de Ação
inicia em um ponto
da Membrana e se
propaga ao longo da
mesma.
Potencial de Ação
• Todo o potencial de ação (PA),
começa a partir do potencial de
membrana (~ -70 mV). Segue uma
fase ascendente (despolarização) que
torna-se muito abrupta após alcançar
o limiar de ação (~ -52mV), de onde o
mesmo é deflagrado.
• Surge um pico ( + ou - + 20 mV), e
uma fase descendente (repolarização).
Depois o registro ultrapassa o
potencial de membrana
hiperpolarizando (- 100 mV), e volta
ao potencial de membrana (-70 mV ).
• Tudo isto ocorre em
aproximadamente 2 ms.
Canais Iônicos
Condução do Sinal
• A entrada de Na+ faz com que o interior se torne positivo em relação ao exterior
(pode chegar a + 30 mV), abrindo com isto os canais voltage-gated de Na+ vizinhos.
Isto faz com que uma nova parte do neurônio seja despolarizada (mais à frente), que
por sua vez induz a despolarização da próxima parte e assim sucessivamente,
conduzindo com isso o sinal.
Potencial de Membrana
Padrões de Repetição dos
Potenciais de Ação
A injeção de um pulso de corrente
Se a célula, primeiramente, é mantida em um
Potencial
deMembrana
Membrana
Hiperpolarizada,
o
Hiperpolarizada,
o pulso
Quando de
um
pequeno
pulso
de corrente
despolarizante
em
umum
neurônio
mesmo
pulso
corrente
uma
explosão
de
despolarizante
dispara
adispara
série
de
picos
após do
um
•
Ao
se
injetar
certo
despolarizante
é
injetado
um
+ em
potenciais
ação.
A canais
efetividade
pulso
delay, quetractus
éde
causado
por
de
K específicos,
núcleo
solitarius,
que
édoapenas
uma
neurônio
do
tálamo
no
descanso,
degeram
corrente
emsérie
umfora
corrente
énível
melhorada
porque
hiperpolarização
que em sua
abertura
umaa corrente
para
região
do
cérebro,
dispara
uma
de
+
uma
despolarização
sub-limiar
é
gerada.
causa
a ativação
de
canais
transientes
voltageprovisória
de
íons
K
que
atrasa
a
chegada
Vm
ao
determinado
neurônio,
ele
potenciais
2+de ação.
gated
limiar.de Ca que se abrem quando do pulso.
responde de forma
característica, que também
depende do potencial de
repouso da membrana
• Ou seja, um mesmo
neurônio pode exibir
diferentes padrões de
repetição de potenciais de
ação
Potencial de Membrana
Transmissão Sináptica
• O ponto no qual os neurônios
comunicam-se entre si é
chamado de sinapse, e a
transmissão sináptica é
fundamental para todos os
processos neurais.
• Um neurônio forma em média
1.000 conexões e recebem
aproximadamente 10.000
conexões. Células Purkinje do
cerebelo possuem em média
100.000 conexões de entrada.
Transmissão Sináptica
Formas Básicas de Sinapse
• Embora existam vários tipos de conexões e as mesmas
sejam altamente especializadas, os neurônios fazem uso de
uma de duas formas básicas de transmissões:
– Elétrica – são usadas principalmente para enviar simples sinais de
despolarização; eles não se combinam entre si para produzirem
ações inibitórias ou mudanças duradouras nas propriedades
elétricas das células pós-sinápticas.
– Química – Produzem comportamentos mais complexos. Podem
mediar ações excitatórias e ações inibitórias nas células póssinápticas e produzem mudanças no potencial de membrana das
células pós-sinápticas que duram entre poucos milissegundos a
vários minutos.
Transmissão Sináptica
Estrutura das Sinapses
Sinapse Química
Canais Iônicos de Junção
Sinapse Elétrica
Transmissão Sináptica
Sinapses Elétricas
• Qual a importância das sinapses elétricas?
– São rápidas, por haver pequena resistência na passagem
de sinal.
– Por apresentarem pouca resistência, oferecem um bom
meio para o sincronismo entre um grupo de neurônios.
– Pelo fato dos canais iônicos de junção serem
relativamente largos e não seletivos, eles permitem
cátions e ânions inorgânicos passarem entre eles.
Transmissão Sináptica
Sinapses Químicas
• Não existe uma continuidade estrutural entre as
sinapses químicas.
• O vale sináptico (synaptic cleft) é levemente
amplo, entre 20 a 40 nm.
• As transmissões sinápticas químicas dependem
da liberação de neurotransmissores a partir do
neurônio pré-sináptico.
Transmissão Sináptica
Neurotransmissores
• São substâncias químicas que
ligam-se a receptores específicos
na membrana das células póssinápticas.
• Neurotransmissores são liberados
nos terminais pré-sinápticos, que
contém coleções discretas de
vesículas sinápticas, onde cada
uma é preenchida com milhares
de moléculas de um determinado
transmissor.
• As vesículas sinápticas, por sua
vez, agrupam-se em regiões da
membrana da célula póssináptica chamada de zonas
ativas.
Transmissão Sináptica
•
•
•
Transmissão
Sináptica
Durante a descarga de um Potencial de
Ação, o Ca2+ entra nos terminais présinápticos pelos canais voltage-gated de
Ca2+. O aumento da concentração de Ca2+
causa a fusão da membrana pré-sináptica
com as vesículas sinápticas liberando, assim,
seus neurotransmissores dentro do vale
sináptico.
Os neurotransmissores então difundem-se
através do vale sináptico e ligam-se aos seus
receptores na membrana pós-sináptica. Os
receptores vão sendo ativados provocando a
abertura ou o fechamento dos canais iônicos.
O fluxo iônico altera a condutância da
membrana e por sua vez o potencial da
célula pós-sináptica.
Estes vários passos ocorrem em menos que
0.3 ms, porém seus efeitos são mais
duradouros. Sinapses químicas possuem,
também, um importante papel amplificador.
Transmissão Sináptica
Animação
Sinapses Excitatórias e Inibitórias
• Sinapses inibitórias
• Sinapses excitatórias
– Sinapses excitatórias causam
uma mudança elétrica excitatória
no potencial pós-sináptico
(EPSP). Isso acontece quando o
efeito líquido da liberação do
neurotransmissor é despolarizar
a membrana, levando-o a um
valor mais próximo do limiar
elétrico para disparar um
potencial de ação. Esse efeito é
tipicamente mediado pela
abertura de canais iônicos de
Ca2+ e Na+ específicos.
– As sinapses inibitórias causam
um potencial pós-sináptico
inibitório (IPSP), porque o
efeito líquido da liberação do
neurotransmissor é
hiperpolarizar a membrana,
tornando mais difícil alcançar o
potencial de limiar elétrico. Esse
tipo de sinapse inibitória
funciona graças à abertura de
diferentes canais iônicos na
membranas: tipicamente os
canais cloreto (Cl-) ou potássio
(K+).
Integração Sináptica
Sinapses Excitatórias e Inibitórias
tem Estruturas Diferentes
• Gray tipo I e II são os tipos sinápticos
morfológicos mais comuns no sistema
nervoso central.
• Tipo I geralmente é excitatório.
• Tipo II é geralmente inibitório.
• As diferenças são:
– Forma das vesículas
– Intensidade das projeções elevadas
présinápticas
– Área total da zona ativa
– Comprimento do vale sináptico
– Densidade da Membrana de base
Integração Sináptica
Sinais Excitatórios e Inibitórios
• Embora um único EPSP em um
neurônio não seja em geral
suficientemente grande para
gerar um potencial de ação,
muitos EPSPs, provocados por
vários neurônios, podem ser
integrados para iniciar um
potencial de ação.
• Do mesmo modo, um único IPSP
pode ou não cancelar a soma de
EPSPs e impedir que o potencial
de membrana alcance o limiar.
Integração Sináptica
Interação entre as entradas
• Cada neurônio no sistema nervoso central é
constantemente bombardeado por sinais vindos de
outros neurônios.
• Por exemplo, um simples neurônio motor pode receber
10.000 diferentes terminações pré-sinápticas.
• Algumas excitatórias, outras inibitórias; algumas fortes,
outras fracas.
• As conexões podem ser feitas em vários locais
diferentes do neurônio
• As mais diversas entradas podem reforçar ou cancelar
umas às outras.
Integração Sináptica
“A união faz a força...”
• A alteração do potencial de membrana produzida por um único
neurônio pré-sináptico é em geral pequena e incapaz de excitar
uma célula pós-sináptica suficientemente para que esta alcance o
limiar do Potencial de Ação.
• Para que um EPSP gerado em um neurônio motor, por exemplo,
leve-o ao limiar de ativação, é necessário pelo menos a excitação
vinda de 25 neurônios, para que juntos possam excitá-lo.
• Ao mesmo tempo que uma célula pós-sináptica está recebendo
sinais excitatórios, ela poderá também estar recebendo sinais
inibitórios que tendem a não deixá-la disparar.
• Ou seja, para que uma célula esteja excitada o suficiente para
disparar, as entradas dependem de vários fatores, tais como:
localização, tamanho, forma da synapse, proximidade e relativa
força das outras sinapses, e se a ação delas é sinergética ou
entrópica.
Integração Sináptica
Integração Neural
• Todos estes sinais são integrados em um neurônio
pós-sináptico através de um processo chamado de
Integração Neural.
• A Integração Neural é, na verdade, um processo de
tomada de decisão, ou seja, o neurônio decide se ele
irá ou não disparar.
• Nos neurônios motores e nos interneurônios a
decisão de iniciar um potencial de ação é tomada no
Axon hilock, pois é uma região cujo o limiar do
potencial de ação é menor do que o do corpo e dos
dendritos, devido à alta concentração de canais de
Na+ nesta área.
• Um potencial de ação nesta região, ao mesmo
tempo, conduz a membrana do corpo da célula para
o limiar e propaga-se ao longo do axônio.
• Então o potencial de membrana serve como leitura
para a ação integrativa do neurônio.
Integração Sináptica
Integração Temporal e Espacial
• A integração neural é criticamente afetada por duas
propriedades passivas da membrana:
– Somação Temporal – ocorre quando dois ou mais
estímulos sublimiares são disparados próximos no tempo.
– Somação Espacial – ocorre quando dois ou mais estímulos
sublimiares são disparados próximos no espaço.
Integração Sináptica
Localização das Sinapses
• As sinapses podem estar localizadas em
todas as partes do nerônios – axônio,
terminais sinápticos, soma e dendritos.
• Quanto mais próximas da zona de disparo,
mais significativo será o sinal, isto é, uma
corrente sináptica gerada em uma sinapse
axosomática produzirá um sinal mais forte
e consequentemente provocará uma maior
influência no resultado final do neurônio
do que uma corrente gerada em uma
sinapse axodendrítica.
• Sinapses excitatórias tendem a se localizar
nos dendritos e as inibitórias estão
predominantemente no corpo da célula.
Integração Sináptica
Memória
• Existem pelo menos dois tipos de memória
– Memória de Curto Prazo
– Memória de Longo Prazo
• As evidências sugerem que :
– A Memória de Curto Prazo é o estado dos neurônios
(Nível de Ativação)
– A Memória de Longo Prazo é o grau de eficiência das
sinapses
Memória
Memória de Longo Prazo
• A eficiência das sinapses é reforçada quando
o neurônio pós-sináptico dispara ao mesmo
tempo ou logo após o neurônio pré-sináptico.
• A eficiência das sinapses é diminuída quando
há ausência de estímulo pré-sináptico ou de
correlação temporal dos potenciais de ação
dos neurônios pré- e pós-sinápticos.
Memória
Memória de curto e de longo prazo
Memória
de Curto
Prazo
Consolidação
Memória
de
Longo
Prazo
Informação
Sensorial
Consolidação
Tempo
Memória
Material visto no fim da aula
http://www.wwnorton.com/college/psych/gman7/content/discovery/questions.asp?ID=03
Memória
Perguntas
Respostas
Páginas
• http://www.din.uem.br/ia/neurais/#Neurocomputacao
• http://www.ele.ita.cta.br/~maxx/listas_exercicios.html
• http://www.icb.ufmg.br/~neurofib/NeuroMed/aula1/gd1a1/sld001.htm
• http://www.epub.org.br/cm/n05/tecnologia/plasticidade2.html
• http://www.infomed.hpg.ig.com.br/manual2/capitulo04.html
• http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/humbeh.html
• http://www.shef.ac.uk/psychology/gurney/notes/index.html
• http://uhaweb.hartford.edu/compsci/neural-networks-history.html
• http://faculty.washington.edu/chudler/resources.html
• http://www.wwnorton.com/gleitman/DEMO/ch2.htm
Mais sobre Memória, no próximo
seminário...
Anexo
Anexo
•
•
•
•
•
•
Por que existe um limiar abrupto para a geração do Potencial de Ação?
Como é o comportamento dos Canais iônicos?
Por que existem muitos tipos diferentes de canais voltage-gated no sistema nervoso?
Diferenças de um Sinal Analógico e Digital
Diferenças entre os Neurônios Centrais e Neurônios Musculares?
Aonde fica o dorsal-root ganglion?
Por que existe um limiar abrupto para a
geração do Potencial de Ação?
• Uma pequena despolarização limiar aumenta a corrente para
dentro INa, bem como, as correntes para fora IK e Il.
• Além disto, a despolarização aumenta a condutância do K+,
gK, gradualmente abrindo mais canais voltage-gated de K+.
• Como IK e Il aumentam com a despolarização, eles tendem a
resistir a ação despolarizante do influxo de Na+.
• Contudo, devido a alta sensibilidade à voltagem e à rápida
cinética de ativação dos canais de Na+, a despolarização
eventualmente alcança um ponto aonde o aumento de INa
para dentro excede o aumento de IK e Il para fora.
• Neste ponto, existe uma corrente resultante para dentro
produzindo uma despolarização repentina, tornando-se
regenerativa
Comportamento dos Canais
Iônicos
• Quando a célula sofre uma pequena
despolarização (~10 mV), a corrente
capacitiva (Ic) é seguida de uma corrente
iônica para fora da célula (Outward) que
persiste enquanto houver a duração do
pulso.
• Ao terminar o pulso, uma corrente
capacitiva para dentro (Inward) ocorre e,
a corrente total da membrana retorna
para zero.
• A corrente que ocorre durante a
execução do pulso chama-se corrente de
escape (Il) e a condutância é chamada de
condutância de escape (gl)
Potencial de Membrana
Comportamento dos Canais
Iônicos
• Quando a célula sofre uma alta
despolarização, a corrente capacitiva (Ic) e
a de escape (Il) aumentam em amplitude.
• Muito pouco tempo depois do término da
corrente capacitiva e o início da corrente de
escape, uma corrente para dentro
desenvolve-se e alcança um pico em poucos
milissegundos, e rende-se para a corrente
para fora.
• Esta corrente para fora alcança um platô que
é mantido enquanto houver a duração do
pulso.
• Isto ocorre pois a despolarização acima ativa
os canais de dois íons separadamente: um
tipo de canal para corrente para dentro e o
outro tipo para fora.
Potencial de Membrana
Comportamento dos Canais Iônicos
• Hodgkin e Andrew Huxley conseguiram
estudar separadamente o comportamento da
corrente gerada pelos canais de K+ e pelos
canais de Na+ utilizando Tetrodoxina
(toxina encontrada nos peixes balões, que
bloqueiam os canais de Na+) e
Tetraetilamônio (bloqueador seletivos de
alguns canais de K+).
• Quando tetraetilamônio é aplicado no
axônio para bloquear os canais de K+, a
corrente total da membrana (Im), consiste
em Ic, Il, INa. A condutância de escape, gl, é
constante, ou seja, não varia nem com a ddp
(Vm) ou com o tempo. Portanto, pode ser
calculado a subtraído de Im, ficando INa e IC.
• IC pode ser isolado por inspeção visual, pois
ele ocorre apenas no início e fim de cada
pulso, ficando o INa.
Potencial de Membrana
Por que existem muitos tipos diferentes de
canais voltage-gated no sistema nervoso?
• Neurônios com um conjunto expandido de canais
voltage-gated possuem habilidades de
processamento de informações muito mais
complexas que daqueles que possuem apenas dois
tipos de canais.
•
Neurônios
Centrais
Neurônios centrais são mais complexos que os neurônios musculares, pois:
– Enquanto a maioria das fibras musculares possuem várias conexões com um
único neurônio motor, os nervos centrais recebem conexões de centenas de
neurônios.
– Fibras musculares recebem apenas entradas excitatórias, enquanto neurônios
centrais recebem entradas excitatórias e inibitórias.
– Todas as ações sinápticas nas fibras musculares são mediadas por um
neurotransmissor, a Acetylcholine (ACh), que ativa apenas um tipo de canal
receptor, enquanto nos neurônios centrais as entradas para uma célula são
mediadas por uma variedade de transmissores que alteram a atividade de uma
variedade de canais iônicos, ou seja, os neurônios centrais devem integrar
várias entradas em apenas uma resposata coordenada.
– As sinapses dos neurônios das fibras musculares é um exemplo de eficiência,
pois cada potencial de ação produz um potencial de ação na fibra muscular.
Nos neurônios centrais, necessita-se de 50 a 100 neurônios excitatórios para
que juntos possam disparar um potencial de ação em uma célula motora.
Integração Sináptica
Sinais Excitatórios e Inibitórios
• Passando corrente suficiente
através de um microeletrodo no
corpo de um neurônio strectchreceptor na raiz do gânglio dorsal
produz um pequeno Potencial
Excitatório Pós-sináptico (EPSP)
no neurônio motor que se
comunica com o mesmo
neurônio sensor.
• Estimulando um neurônio
stretch-receptor que estimula um
neurônio dos biceps, produzem
um pequeno Potencial Inibitório
Pós-sináptico (EPSP) em um
neurônio do quadriceps.
Integração Sináptica
Sinapses Excitatórias
• O transmissor excitatório liberado dos neurônios stretch-receptors é o
aminoácido l-glutamato, cujos canais iônicos que lhe são permeáveis,
também são para o Na+ e o K+.
• Os receptores de glutamato podem ser divididos em duas categorias:
– Ionotrópicas – que regulam diretamente os canais. A ação do glutamato
nestes receptores sempre é excitatória. Há 3 tipos de receptores
ionotrópicos:
• NMDA (N-metil-D-aspartato) – contribuem com o componente tardio do
EPSP.
• Não NMDA – AMPA e Kainate. Gera o componente grande adiantado do
EPSP.
– Metabotrópicas – que regulam indiretamente os canais através de
mensageiros secundários. A ação do glutamato pode ser excitatória ou
inibitória.
Integração Sináptica
Ação Sináptica Inibitória
• IPSP nos neurônios motores na espinha dorsal e na
maioria dos neurônios centrais são gerados por
pelos amino-ácidos neurotransmissores:
– GABA – o neurotransmissor mais encontrado. Atua
nos receptores GABAA (um receptor ionotrópico que
regula o canal de Cl-) e GABAB (um receptor
metabotrópico que ativa um segundo mensageiro em
casacada que ativa os canais de K+)
– Glicina – que ativa receptores ionotrópicos que
regula os canais de Cl-.
Integração Sináptica
Sinais Analógicos e Digitais
• De uma forma genérica
– Sinal Analógico – apresenta uma variação contínua
– Sinal Digital – Apresenta uma variação discreta. Dois
níveis, um Verdadeiro (0) e outro Falso (1).
• 1
• 0
T
Integração Sináptica
Recordações
• Wilder Penfield, um neurocirurgião, estimulou, a partir de
1950, eletricamente o lobo temporal de seus pacientes, que
tinham problemas graves de epilepsias, com o intutito de
descobrir a região tendente à convulsão a ser removida.
• A partir destes estímulos, ele percebeu que os mesmos
produziam sensações mais complexas que os resultados
produzidos em outras regiões. Estas sensações lembravam
alucinações ou lembranças de experiências passadas.
• Este fato demonstrou que o lobo temporal exerce um papel
importante no armazenamento da memória.
Aprendizagem & Memória
Memória
Aprendizagem & Memória
Aprendizagem
• Processo de aquisição de informações e conhecimentos
novos.
• Dividida em:
– Aprendizagem Associativa
• Associação entre eventos
– Aprendizagem Não-associativa
• Descreve as mudanças na resposta comportamental que
ocorre ao longo do tempo em resposta a um tipo de
estímulo.
Aprendizagem & Memória
Aprendizagem Não-associativa
• Dividida em
– Habituação
– Sensitização
Aprendizagem & Memória
Habituação nos Invertebrados
Aprendizagem & Memória
Aprendizagem Associativa
• Condicionamento Clássico
– Envolve uma associação de
um estímulo incondicional
que envolve uma resposta
mensurável com um estímulo
condicional que geralmente
não envolve uma resposta.
– Um estímulo prediz um outro
estímulo.
– Ex.: Experiência de Ivan
Pavlov
Aprendizagem Associativa
• Condicionamento
Instrumental
– O indivíduo aprende associado
a uma resposta, a uma ação
motora, a um estímulo
significante, geralmente uma
recompensa, tal como, comida,
choque elétrico, cocaína, etc.
– É aprendido que um
comportamento particular é
associado com uma
conseqüência específica.
– Ex.: Experiência de Edward
Thorndike
Como a informação é armazenada?
• Hebb apontou que a memória pode resultar
de pequenas modificações nas sinapses.
Aprendizagem & Memória