Войти
Клеточная нейробиология - это раздел нейробиологии, связанный с изучением нейронов на клеточном уровне. Сюда входят морфология и физиологические свойства отдельных нейронов. Для изучения активности на клеточном уровне использовались несколько методов, таких как внутриклеточная запись, метод фиксации заплат и фиксации напряжения, фармакология, конфокальная визуализация, молекулярная биология, двухфотонная лазерная сканирующая микроскопия и визуализация Ca. Клеточная нейробиология изучает различные типы нейронов, функции разных нейронов, влияние нейронов друг на друга и то, как нейроны работают вместе.
Нейроны - это клетки, которые специализируются на приеме, распространении и передаче электрохимических импульсов. Только в человеческом мозгу насчитывается более восьмидесяти миллиардов нейронов. Нейроны разнообразны по морфологии и функциям. Таким образом, не все нейроны соответствуют стереотипному двигательному нейрону с дендритами и миелинизированными аксонами, которые проводят потенциалы действия. Некоторые нейроны, такие как фоторецепторные клетки, например, не имеют миелинизированных аксонов, которые проводят потенциалы действия. Другие униполярные нейроны, обнаруженные у беспозвоночных, даже не имеют отличительных отростков, таких как дендриты. Более того, различия, основанные на функциях нейронов и других клеток, таких как сердечные и мышечные клетки, бесполезны. Таким образом, фундаментальное различие между нейроном и ненейронной клеткой зависит от степени.
Другой основной класс клеток нервной системы - это глиальные клетки . Эти клетки только недавно начали привлекать внимание нейробиологов, поскольку они участвуют не только в питании и поддержке нейронов, но и в модуляции синапсов. Например, шванновские клетки, которые представляют собой тип глиальных клеток, обнаруженных в периферической нервной системе, модулируют синаптические связи между пресинаптическими окончаниями замыкательных пластинок моторных нейронов и мышечными волокнами в нервно-мышечных соединениях.
Одной из характерных черт многих нейронов является возбудимость. Нейроны генерируют электрические импульсы или изменения напряжения двух типов: ступенчатые потенциалы и потенциалы действия. Градиентные потенциалы возникают, когда мембранный потенциал деполяризуется и гиперполяризуется ступенчато по отношению к количеству стимула, который применяется к нейрону. С другой стороны, потенциал действия - это полный или нулевой электрический импульс. Несмотря на то, что они медленнее, чем ступенчатые потенциалы, потенциалы действия имеют то преимущество, что они перемещаются на большие расстояния в аксонах с небольшим декрементом или без него. Большая часть текущих знаний о потенциалах действия получена из экспериментов с аксонами кальмаров, проведенных сэром Аланом Ллойдом Ходжкином и сэром Эндрю Хаксли.
«Токовый зажим» - распространенный метод в электрофизиологии. Это запись токового зажима всей клетки нейрона, запускающего серию потенциалов действия из-за того, что он деполяризован под действием тока. Модель Ходжкина-Хаксли потенциала действия в гигантский аксон кальмара был основой для большей части современного понимания ионных основ потенциалов действия. Вкратце, модель утверждает, что генерация потенциала действия определяется двумя ионами: Na и K. Потенциал действия можно разделить на несколько последовательных фаз: порог, фаза нарастания, фаза спада, фаза недорега и восстановление. После нескольких локальных градиентных деполяризаций мембранного потенциала достигается порог возбуждения, активируются потенциалозависимые натриевые каналы, что приводит к притоку ионов Na. Когда ионы Na проникают в клетку, мембранный потенциал еще больше деполяризуется, и активируется больше потенциал-управляемых натриевых каналов. Такой процесс также известен как цикл положительной обратной связи. Когда фаза нарастания достигает своего пика, потенциал-управляемые Na-каналы инактивируются, в то время как потенциал-управляемые K-каналы активируются, что приводит к общему движению ионов K наружу, которое переполяризует мембранный потенциал в сторону мембранного потенциала покоя. Реполяризация мембранного потенциала продолжается, что приводит к фазе недорега или абсолютному рефрактерному периоду. Фаза недобора возникает из-за того, что в отличие от натриевых каналов, управляемых напряжением, калиевые каналы с потенциометром инактивируются намного медленнее. Тем не менее, по мере того как больше управляемых напряжением K-каналов становятся инактивированными, мембранный потенциал восстанавливается до своего нормального устойчивого состояния покоя.
Иллюстрация основных элементов в прототипном синапсе . Синапсы - это промежутки между нервными клетками. Эти клетки преобразуют свои электрические импульсы в пакеты нейрохимических ретрансляторов, называемых нейротрансмиттерами, которые перемещаются через синапсы к рецепторам на дендритах соседних клеток, тем самым инициируя дальнейшие электрические импульсы для перемещения по последним клеткам. Нейроны общаются друг с другом через синапсы. Синапсы - это специализированные соединения между двумя клетками, находящимися близко друг к другу. В синапсе нейрон, который посылает сигнал, является пресинаптическим нейроном, а целевой клеткой, принимающей этот сигнал, является постсинаптический нейрон или клетка. Синапсы могут быть электрическими или химическими. Электрические синапсы характеризуются образованием щелевых контактов, которые позволяют ионам и другим органическим соединениям мгновенно переходить от одной клетки к другой. Химические синапсы характеризуются пресинаптическим высвобождением нейротрансмиттеров, которые диффундируют через синаптическую щель для связывания с постсинаптическими рецепторами. Нейромедиатор - это химический мессенджер, который синтезируется в самих нейронах и высвобождается этими же нейронами для связи со своими постсинаптическими клетками-мишенями. Рецептор - это трансмембранная белковая молекула, которую связывает нейромедиатор или лекарство. Химические синапсы работают медленнее электрических.
После того, как нейротрансмиттеры синтезируются, они упаковываются и хранятся в пузырьках. Эти везикулы объединены в терминальные бутоны пресинаптического нейрона. Когда происходит изменение напряжения в терминальном бутоне, активируются управляемые по напряжению кальциевые каналы, встроенные в мембраны этих бутонов. Это позволяет ионам Са диффундировать через эти каналы и связываться с синаптическими пузырьками внутри конечных бутонов. После связывания с Са везикулы стыкуются и сливаются с пресинаптической мембраной и высвобождают нейротрансмиттеры в синаптическую щель с помощью процесса, известного как экзоцитоз. Затем нейротрансмиттеры диффундируют через синаптическую щель и связываются с постсинаптическими рецепторами, встроенными в постсинаптическую мембрану другого нейрона. Есть два семейства рецепторов: ионотропные и метаботропные рецепторы. Ионотропные рецепторы представляют собой комбинацию рецептора и ионного канала. Когда ионотропные рецепторы активируются, определенные виды ионов, такие как Na, попадают в постсинаптический нейрон, который деполяризует постсинаптическую мембрану. Если активировано больше постсинаптических рецепторов того же типа, то больше Na попадет в постсинаптическую мембрану и деполяризует клетку. С другой стороны, метаботропные рецепторы активируют каскадные системы вторичных мессенджеров, что приводит к открытию ионного канала, расположенного в другом месте на той же постсинаптической мембране. Хотя метаботропные рецепторы работают медленнее, чем ионотропные рецепторы, которые работают как переключатели включения и выключения, они обладают тем преимуществом, что изменяют чувствительность клетки к ионам и другим метаболитам, например, гамма-аминомасляная кислота (ингибирующий передатчик), глутаминовая кислота (возбуждающий медиатор), дофамин, норэпинефрин, адреналин, меланин, серотонин, мелатонин, эндорфины, динорфины, ноцицептин и вещество P.
. Постсинаптические деполяризации могут либо передавать возбуждающую, либо тормозные нейротрансмиттеры. Те, которые высвобождают возбуждающие везикулы, называются возбуждающим постсинаптическим потенциалом (EPSP ). Альтернативно, ингибирующие везикулы стимулируют постсинаптические рецепторы, например, позволяя ионам Cl проникать в клетку или ионам K выходить из клетки, что приводит к ингибирующему постсинаптическому потенциалу (IPSP ). Если ВПСП доминирует, порог возбуждения в постсинаптическом нейроне может быть достигнут, что приводит к генерации потенциала действия в нейроне (ах), в свою очередь, постсинаптическом по отношению к нему, распространяя сигнал.
Синаптическая пластичность - это процесс изменения прочности синаптических связей. Например, долгосрочные изменения в синаптических связях могут привести к тому, что в постсинаптическую мембрану будет встроено больше постсинаптических рецепторов, что приведет к усилению синапса. Синаптическая пластичность также является нервным механизмом, лежащим в основе обучения и памяти. Основные свойства, активность и регуляция мембранных токов, синаптическая передача и синаптическая пластичность, нейротрансмиссия, нейрорегенсис, синаптогенез и ионные каналы клеток - это еще несколько областей, изучаемых клеточными нейробиологами. Тканевая, клеточная и субклеточная анатомия изучается, чтобы обеспечить понимание умственной отсталости в Центре исследований умственной отсталости MRRC Cellular Neuroscience Core. На темы клеточной нейробиологии публикуются такие журналы, как Frontiers in Cellular Neuroscience и Molecular and Cellular Neuroscience.
