Toplama (nörofizyoloji) - Summation (neurophysiology)
Toplama içerir, hem uzamsal toplama ve geçici toplama , bir olup olmadığını belirler işlemdir aksiyon potansiyeli birleşik etkilerine bağlı olarak üretilecektir uyarıcı ve inhibitör sinyalleri, aynı anda birden çok girdi (mekansal toplama), her ikisi de ve tekrar girişlerden ( zamansal toplam). Birçok bireysel girişin toplamına bağlı olarak, toplama, bir aksiyon potansiyelini tetiklemek için eşik voltajına ulaşabilir veya ulaşmayabilir .
Nörotransmitter salınan terminalleri a presinaptik nöron birine giren iki kategoriye bağlı olarak, iyon kanalları ile kapatılabilir ya da modüle nörotransmiter reseptörü . Uyarıcı nörotransmitterler , postsinaptik hücrenin depolarizasyonunu üretirken, inhibitör bir nörotransmitter tarafından üretilen hiperpolarizasyon , uyarıcı bir nörotransmitterin etkilerini hafifletecektir. Bu depolarizasyona EPSP veya uyarıcı postsinaptik potansiyel denir ve hiperpolarizasyona IPSP veya inhibitör postsinaptik potansiyel denir .
Nöronların birbirleri üzerinde sahip olabileceği tek etki, uyarma, engelleme ve - modülatör vericiler aracılığıyla - birbirlerinin uyarılabilirliğini önyargılı hale getirmedir. Böyle küçük bir dizi temel etkileşimden, bir nöron zinciri yalnızca sınırlı bir yanıt üretebilir. Uyarıcı girdi ile bir yol kolaylaştırılabilir; bu tür girdilerin kaldırılması, kolaylaştırma teşkil eder . Bir yol da engellenebilir; önleyici girişinin kaldırılması teşkil disinhibisyon uyarma diğer kaynaklardan önleyici girişinin içinde mevcut olması halinde, uyarma arttırabilir.
Belirli bir hedef nöron, birden fazla kaynaktan girdi aldığında, girdiler, en erken gelen girdilerin etkisinin henüz azalmadığı kadar yakın bir zamanda ulaşırsa, bu girdiler uzamsal olarak toplanabilir. Bir hedef nöron tek bir akson terminalinden girdi alıyorsa ve bu girdi kısa aralıklarla tekrarlanıyorsa, girdiler geçici olarak toplanabilir.
Tarih
Sinir sistemi ilk olarak 1800'lerin sonlarında Charles Sherrington'ın nöronların elektriksel özelliklerini test etmeye başlamasıyla genel fizyolojik çalışmalar kapsamına alınmaya başlandı. Nörofizyolojiye yaptığı başlıca katkılar, diz üstü refleks çalışmasını ve iki karşılıklı uyarma ve engelleme kuvveti arasında yaptığı çıkarımları içeriyordu . Bu modülatör yanıtın meydana geldiği yerin, tek yönlü bir sinir devreleri yolunun hücreler arası alanı olduğunu öne sürdü. İlk önce, “beynin yüksek merkezlerinin alt merkezlerin uyarıcı işlevlerini engellediği” önerisiyle evrim ve sinirsel engellemenin olası rolünü ortaya koydu.
Günümüzün kimyasal sinaptik aktarım bilgilerinin çoğu, uç plakalar olarak da adlandırılan nöromüsküler kavşaklarda asetilkolin salınımının etkilerini analiz eden deneylerden toplanmıştır . Bu alandaki öncüler , sinir sistemi çalışması için deneysel bir model olarak kalamar dev aksonunu kullanan Bernard Katz ve Alan Hodgkin'i içeriyordu . Nöronların nispeten büyük boyutu , zar boyunca dalgalanan elektrofizyolojik değişiklikleri izlemek için ince uçlu elektrotların kullanılmasına izin verdi . 1941'de Katz'ın kurbağa bacaklarının gastroknemius siyatik sinirine mikroelektrotlar uygulaması alanı aydınlattı. Kurbağa bacaklarının kasılmalarıyla kendini gösteren kas aksiyon potansiyelini tetikleyen şeyin tek başına uç plaka potansiyeli (EPP) olduğu kısa sürede genelleşti .
Katz'ın 1951'de Paul Fatt ile yaptığı çalışmalarda ufuk açıcı bulgularından biri, presinaptik motor nöronun uyarılması olmadan bile kas-hücre zarının potansiyelindeki spontan değişikliklerin meydana geldiğiydi. Potansiyeldeki bu ani yükselmeler, çok daha küçük, tipik olarak 1 mV'den az olmaları dışında aksiyon potansiyellerine benzer; bu nedenle minyatür uç plaka potansiyelleri (MEPP'ler) olarak adlandırıldılar. 1954 yılında, postsinaptik terminallerin ilk elektron mikroskobik görüntülerinin tanıtımı, bu MEPP'lerin nörotransmiterleri taşıyan sinaptik veziküller tarafından oluşturulduğunu ortaya çıkardı . Kuantal miktarlarda nörotransmitter salınımının sporadik doğası, Katz ve del Castillo'nun “vezikül hipotezi”ne yol açtı; bu, verici salınımının nicelleştirilmesini sinaptik veziküllerle olan ilişkisine bağlıyor. Bu aynı zamanda Katz'a, aksiyon potansiyeli oluşumunun, her biri bir MEPP'ye eşdeğer olan bu bireysel birimlerin toplamı tarafından tetiklenebileceğini gösterdi.
Türler
Herhangi bir anda, bir nöron diğer binlerce nörondan postsinaptik potansiyeller alabilir. Eşiğe ulaşılıp ulaşılmadığı ve bir aksiyon potansiyelinin üretilip üretilmediği, o andaki tüm girdilerin uzaysal (yani birden fazla nörondan) ve zamansal (tek bir nörondan) toplamına bağlıdır. Geleneksel olarak, bir sinaps nöronun hücre gövdesine ne kadar yakınsa, nihai toplam üzerindeki etkisinin o kadar büyük olduğu düşünülür. Bunun nedeni, postsinaptik potansiyellerin düşük konsantrasyonda voltaj kapılı iyon kanalları içeren dendritlerden geçmesidir . Bu nedenle, postsinaptik potansiyel, nöron hücre gövdesine ulaştığı zaman azalır. Nöron hücre gövdesi, gelen potansiyelleri entegre ederek (ekleyerek veya toplayarak) bir bilgisayar gibi davranır. Net potansiyel daha sonra aksiyon potansiyelinin başlatıldığı akson tepeciğine iletilir . Dikkate alınması gereken bir diğer faktör, uyarıcı ve engelleyici sinaptik girdilerin toplamıdır. Engelleyici bir girdinin uzaysal toplamı, uyarıcı bir girdiyi geçersiz kılacaktır. Bu yaygın olarak gözlemlenen etki, EPSP'lerin engelleyici 'şöntlenmesi' olarak adlandırılır.
mekansal toplam
Uzamsal toplama, birden fazla presinaptik hücreden girdi ile bir nöronda bir aksiyon potansiyeli ortaya çıkarma mekanizmasıdır . Genellikle dendritler üzerinde farklı girdi alanlarından gelen potansiyellerin cebirsel toplamıdır . Uyarıcı postsinaptik potansiyellerin toplamı , potansiyelin eşik potansiyeline ulaşma ve bir aksiyon potansiyeli oluşturma olasılığını arttırırken, inhibitör postsinaptik potansiyellerin toplamı , hücrenin bir aksiyon potansiyeline ulaşmasını önleyebilir. Dendritik girdi akson tepeciğine ne kadar yakınsa, potansiyel, postsinaptik hücrede bir aksiyon potansiyelinin ateşlenme olasılığını o kadar fazla etkileyecektir.
zamansal toplam
Presinaptik nörondaki yüksek bir aksiyon potansiyeli frekansı, birbiriyle toplanan postsinaptik potansiyelleri ortaya çıkardığında, zamansal toplam oluşur. Postsinaptik potansiyelin süresi, gelen aksiyon potansiyelleri arasındaki süreden daha uzundur. Eğer zaman sabiti hücre gövdesi için olduğu gibi, hücre zarının, yeterince uzun, daha sonra toplamının miktarı artar. Bir sonrakinin başladığı zaman noktasındaki bir postsinaptik potansiyelin genliği, onunla cebirsel olarak toplanır ve bireysel potansiyellerden daha büyük bir potansiyel üretir. Bu, membran potansiyelinin bir aksiyon potansiyeli oluşturmak için eşiğe ulaşmasına izin verir .
mekanizma
Nörotransmiterler, postsinaptik potansiyeller (PSP'ler) oluşturan postsinaptik hücrede iyon kanallarını açan veya kapatan reseptörlere bağlanır. Bu potansiyeller, bir postsinaptik nöronda meydana gelen bir aksiyon potansiyeli şansını değiştirir. PSP'ler, bir aksiyon potansiyelinin ortaya çıkma olasılığını artırıyorlarsa uyarıcı ve şansı azaltıyorlarsa engelleyici olarak kabul edilirler.
Uyarıcı bir örnek olarak glutamat
Örneğin, nörotransmiter glutamat, omurgalılarda ağırlıklı olarak uyarıcı postsinaptik potansiyelleri (EPSP'ler) tetiklediği bilinmektedir. Deneysel manipülasyon, bir presinaptik nöronun tetanik olmayan uyarımı yoluyla glutamatın salınmasına neden olabilir. Glutamat daha sonra postsinaptik zarda bulunan AMPA reseptörlerine bağlanır ve pozitif yüklü sodyum atomlarının akışına neden olur. Sodyumun bu içe akışı, postsinaptik nöronun ve bir EPSP'nin kısa süreli depolarizasyonuna yol açar. Bu türden tek bir depolarizasyon, postsinaptik nöron üzerinde fazla bir etkiye sahip olmasa da, yüksek frekanslı uyarımın neden olduğu tekrarlanan depolarizasyonlar, EPSP toplamına ve eşik potansiyelinin aşılmasına neden olabilir.
Engelleyici bir örnek olarak GABA
Glutamatın aksine, nörotransmitter GABA, esas olarak omurgalılarda inhibitör postsinaptik potansiyelleri (IPSP'ler) tetikleme işlevi görür. GABA'nın bir postsinaptik reseptöre bağlanması, iyon kanallarının açılmasına neden olur, bu da ya hücre içine negatif yüklü klorür iyonlarının girişine ya da hücreden pozitif yüklü potasyum iyonlarının dışarı akışına neden olur. Bu iki seçeneğin etkisi, postsinaptik hücrenin veya IPSP'nin hiperpolarizasyonudur. Diğer IPSP'lerle toplama ve zıt EPSP'ler, postsinaptik potansiyelin eşiğe ulaşıp ulaşmayacağını ve postsinaptik nöronda bir aksiyon potansiyelinin ateşlenmesine neden olup olmayacağını belirler.
EPSP ve depolarizasyon
Membran potansiyeli ateşleme darbeleri için eşiğin altında olduğu sürece, zar potansiyeli girdileri toplayabilir. Yani, bir sinapstaki nörotransmitter küçük bir depolarizasyona neden oluyorsa, aynı hücre gövdesinin başka bir yerinde bulunan başka bir sinapsta eş zamanlı bir verici salınımı daha büyük bir depolarizasyona neden olacak şekilde toplanacaktır. Buna uzamsal toplama denir ve bir sinapstan ardışık verici salıverilmesinin, presinaptik değişiklikler postsinaptik nörondaki zar potansiyeli değişikliklerinin bozunma oranından daha hızlı gerçekleştiği sürece ilerleyici polarizasyon değişikliğine neden olacağı zamansal toplama ile tamamlanır. Nörotransmitter etkileri, presinaptik uyarılardan birkaç kat daha uzun sürer ve böylece etkinin toplamına izin verir. Bu nedenle EPSP, aksiyon potansiyellerinden temel bir şekilde farklıdır: darbe deşarjının ya hep ya hiç yanıtının aksine, girdileri toplar ve dereceli bir yanıtı ifade eder.
IPSP ve hiperpolarizasyon
Belirli bir postsinaptik nöron, uyarıcı nörotransmitteri alıp toplarken, aynı zamanda, ona ateşlemeyi kapatmasını söyleyen çelişkili mesajlar da alıyor olabilir. Bu inhibitör etkilere (IPSP'ler), postsinaptik membranların hiperpolarize olmasına neden olan inhibitör nörotransmitter sistemleri aracılık eder. Bu tür etkiler genellikle, hücre içi potasyumun postsinaptik hücreyi terk etmesine veya hücre dışı klorürün girmesine izin veren seçici iyon kanallarının açılmasına bağlanır. Her iki durumda da net etki, hücre içi olumsuzluğu artırmak ve zar potansiyelini uyarı üretme eşiğinden uzaklaştırmaktır.
EPSP'ler, IPSP'ler ve cebirsel işleme
EPSP'ler ve IPSP'ler aynı hücrede aynı anda üretildiğinde, çıkış yanıtı uyarıcı ve engelleyici girdilerin göreli güçleri tarafından belirlenecektir. Çıktı komutları bu nedenle bu cebirsel bilgi işlemesi tarafından belirlenir. Bir sinaps boyunca boşalma eşiği, onun üzerinde hareket eden presinaptik volelerin bir fonksiyonu olduğundan ve belirli bir nöron birçok aksondan dallar alabildiğinden, bu tür sinaps ağlarında impulsların geçişi oldukça değişken olabilir. Sinapsın çok yönlülüğü, giriş sinyallerini cebirsel olarak toplayarak bilgiyi değiştirme yeteneğinden kaynaklanır. Postsinaptik zarın uyarı eşiğindeki müteakip değişiklik, ilgili iletici kimyasala ve iyon geçirgenliklerine bağlı olarak arttırılabilir veya engellenebilir. Böylece sinaps, bilginin birleştiği bir karar noktası görevi görür ve EPSP'lerin ve IPSP'lerin cebirsel işlenmesiyle değiştirilir. IPSP engelleyici mekanizmaya ek olarak, ya engellenmiş akson üzerinde bir hiperpolarizasyon ya da kalıcı bir depolarizasyon içeren bir presinaptik türde engelleme vardır; birincisi mi yoksa ikincisi mi olduğu, ilgili nöronlara bağlıdır.
Mevcut araştırma
Katz ve çağdaşları tarafından kullanılan mikroelektrotlar, günümüzde mevcut olan teknolojik olarak gelişmiş kayıt tekniklerine kıyasla sönük kalıyor. Bir dendritik ağaç üzerinde birden fazla lokusun aynı anda kaydedilmesine izin veren teknikler geliştirildiğinde, uzaysal toplama çok fazla araştırma ilgisi çekmeye başladı. Pek çok deney, duyusal nöronların, özellikle optik nöronların kullanımını içerir, çünkü bunlar sürekli olarak hem engelleyici hem de uyarıcı girdilerin değişen bir frekansını içerirler. Modern nöral toplama çalışmaları, bir nöronun dendritleri ve hücre gövdesi üzerindeki postsinaptik potansiyellerin zayıflamasına odaklanır. Yanıt, bireysel yanıtların toplamından daha az olduğu için bu etkileşimlerin doğrusal olmadığı söylenir. Bazen bu, uyarıcı postsinaptik potansiyellerin azaltılmış iletkenliği olan şant adı verilen inhibisyonun neden olduğu bir fenomenden kaynaklanabilir .
Şant inhibisyonu , kaplumbağa bazal optik çekirdeği üzerinde tam hücre kaydı deneyen Michael Ariel ve Naoki Kogo'nun çalışmalarında sergileniyor. Çalışmaları, uyarıcı ve engelleyici postsinaptik potansiyellerin uzaysal toplamının, çoğu zaman engelleyici tepki sırasında uyarıcı tepkinin zayıflamasına neden olduğunu gösterdi. Ayrıca, zayıflamadan sonra meydana gelen uyarıcı yanıtın geçici olarak arttığını da kaydettiler. Bir kontrol olarak, voltaja duyarlı kanallar bir hiperpolarizasyon akımı tarafından etkinleştirildiğinde zayıflama için test ettiler. Zayıflamanın hiperpolarizasyondan değil, iletkenlik değişimlerine neden olan sinaptik reseptör kanallarının açılmasından kaynaklandığı sonucuna varmışlardır.
Potansiyel terapötik uygulamalar
İle ilgili olarak nosiseptif uyarılması , uzamsal toplama zamansal toplam tekrar nosiseptif uyaranlara entegre yeteneğini ifade eder ise geniş bölgelerden acı girişi entegre yeteneğidir. Yaygın ve uzun süreli ağrı, birçok kronik ağrı sendromunun özelliğidir. Bu, kronik ağrı durumlarında hem uzaysal hem de zamansal toplamların önemli olduğunu göstermektedir. Gerçekten de, basınç uyarım deneyleri yoluyla, uzaysal toplamın, nosiseptif girdilerin, özellikle basınç ağrısının zamansal toplamını kolaylaştırdığı gösterilmiştir. Bu nedenle, hem uzaysal hem de zamansal toplama mekanizmalarını aynı anda hedeflemek, kronik ağrı durumlarının tedavisine fayda sağlayabilir.