Neurofysiologi

Detta inlägg behandlar följande kursmål:

• Redogöra för nervsystemets anatomiska och funktionella uppbyggnad, med korrekt nomenklatur, inklusive olika celltyper och deras egenskaper
• Förklara nervcellens principiella uppbyggnad och de elektrofysiologiska och molekylära mekanismerna bakom nervcellsignaler

---

Centrala nervsystemet (CNS) består av hjärnan och ryggmärgen. Perifera nervsystemet (PNS) är allt utanför CNS, vilket vidare delas upp i somatiska och autonoma nervsystemet. Autonoma nervsystemet delas upp i sympatiska och parasympatiska nervsystemet.

• Centrala nervsystemet
• Perifera nervsystemet
  • Somatiska nervsystemet
  • Autonoma nervsystemet
    • Sympatiska nervsystemet
    • Parasympatiska nervsystemet

Nervsystemets celler

Nervvävnad består av två typer av celler: neuroglia och neuroner.

Neuroglia, stödjande celler runt om neuroner. Största gruppen celler i nervsystemet.

CENTRALA NERVSYSTEMET	PERIFERA NERVSYSTEMET
Astrocyter, förankrar neuroner till varandra och till näringskällor med hjälp av deras många utskott. Hanterar återupptag av kalium och transmittorsubstanser. Deltar i blod-hjärnbarriären.	Satellitceller, saknar utskott, men omger nervcellskroppar och har för övrigt analog funktion till astrocyter.
Oligodendrocyter, producerar myelin. Kan myelinisera flera axoner samtidigt.	Schwannceller, producerar myelin.
Microglia, deltar i immunförsvaret genom fagocytos och antigenpresentation.	–
Ependymalceller, bildar yttersta epitel kring hjärnan och ryggmärgen samt plexus chorioideus som producerar likvor.	–

Myelin, isolerar axon och möjliggör saltatorisk fortledning av aktionspotentialer. Reducerar membranets genomsläpplighet, vilket ökar signaleringshastigheten då aktionspotentialen kan färdas längre utan att regenereras (längdkonstanten ökar).

Neuroner, exciterbara celler som även kallas nervceller. Är mycket energikrävande eftersom de har en hög metabolism. Består av en cellkropp (cellsoma) med utskott: flera dendriter (mottagare) och ett axon (avsändare). Dendriter är kortare utskott som tar emot signaler från andra nervceller, vilket orsakar en förändring i membranpotential. Axon är ett längre utskott med organeller (förutom ER och golgi) där aktionspotentialen kan färdas. Första delen på axonet kallas för axon hillock, där de mottagna signalernas summeras. Om förändringen i potential är tillräckligt hög (högre än tröskelvärdet) erhålls en aktionspotential som fortleds genom axonet. Längst bort på axonet kallas terminal där det bildas synapser med andra neuroner. Där exocyteras transmittorsubstanser, vilket påverkar potentialen hos mottagarneuroner.

Neuroner kan klassificeras utifrån struktur eller funktion (efter vilken riktning nervimpulsen färdas relativt CNS):

• Strukturell klassifikation:
  • Multipolär neuron, vanligast förekommande. Har tre eller fler utskott från cellkroppen.
  • Bipolär neuron, har två utskott: en dendrit och ett axon. Finns i t.ex. retina (öga) och olfactory mucosa (luktepitel).
  • Unipolär neuron, saknar dendriter.
  • Pseudounipolär neuron, börjar som bipolär neuron, men utvecklas till unipolär genom att utskotten fuserar. Fungerar som sensoriska neuroner.
• Funktionell klassifikation:
  • Sensorisk neuron, afferent neuron, förmedlar signal från receptor till CNS. Cellkroppen befinner sig i sensoriska ganglion i PNS.
  • Motorisk neuron, efferent neuron, förmedlar signal från CNS till effektororgan, t.ex. muskel, körtel. Cellkroppen befinner sig i CNS.
  • Interneuron, vanligast förekommande. Befinner sig mellan sensoriska och motoriska neuroner och förmedlar signaler vidare.

Vilo- och aktionspotential

Vilopotential, skillnad i elektrisk laddning över membranet mellan cellens in- och utsida vid icke-exciterat tillstånd. Hos en neuron brukar den stabila membranpotentialen vara mellan -70 till -80 mV. Potentialskillnaden existerar endast över membranet, varför det även kallas “vilomembranpotential”. Den intracellulära och extracellulära substansen har i sig en neutral nettoladdning, vilket kallas makroskopisk elektroneutralitet. Detta beror på att positiva laddningar motverkas av anjoner (t.ex. Cl^–), om man ser på det makroskopiskt.

Grundförutsättningen för vilopotentialen är det finns en skillnad i membranpermeabilitet för vissa joner. Denna skillnad beror på att det finns olika antal passiva jonkanaler, så kallade “leak channels”. Kalium har många fler “leak channels” och får därmed en mycket större permeabilitet jämfört med natrium, vilket betyder att kalium lättare passerar membranet jämfört med natrium. Dessutom upprätthålls vilopotentialen av Na⁺/K⁺-ATPase som transporterar 3 Na⁺ ut ur cellen och 2 K⁺ in i cellen. Därmed får vi koncentrationsgradienter för dessa joner, där [K⁺] är högre intracellulärt och [Na⁺] är högre extracellulärt. På grund av skillnaden i permeabilitet har vi fler positiva laddningar som lämnar cellen (många natriumjoner som pumpas ut och hög diffusion av kaliumjoner som följer sin koncentrationsgradient ut ur cellen genom “leak channels”) jämfört med vad som kommer in (färre kaliumjoner som pumpas in och låg diffusion av natriumjoner in i cellen). På så sätt uppstår en membranpotential.

Hypokalemi, minskning av K+ extracellulärt leder till koncentrationsgradient utåt och minskning av positiva laddningar intracellulärt. Leder till hyperpolarisation av nervcellen och gör det svårare att uppnå tröskelvärdet.

Hyperkalemi, ökning av K+ extracellulärt leder till depolarisation av nervcellen. Ingen hyperpolarisation leder till att spänningskänsliga natrium-kanaler fortsätter vara inaktiverade. Ingen ytterligare aktionspotential.

Aktionspotential, snabb förändring av nervcellens membranpotential, vilket används för att transmittera en signal i nervsystemet. Grundförutsättningen för att förändra membranpotentialen är att vi påverkar permeabiliteten för K⁺ och Na⁺. Detta är möjligt genom att öppna och stänga andra typer av jonkanaler, så kallade “gated channels”. Dessa kan både kontrolleras av receptorer i en synaps eller av elektriska laddningar (spänningskänsliga jonkanaler).

Aktionspotentialen är uppdelad i olika faser:

1. Vilotillstånd. Alla “gated channels” är stängda, men “leak channels” är öppna.
2. Depolarisering. Spänningskänsliga Na⁺-kanaler öppnas varpå natriumjoner flödar in i cellen. Den negativa membranpotentialen motverkas, då koncentrationen joner med positiv laddning ökar intracellulärt. Denna process är exponentiell, eftersom allt fler spänningskänsliga Na⁺-kanaler öppnas vid högre positiv laddning.
3. Repolarisation. De spänningskänsliga Na⁺-kanalerna inaktiveras vid aktionspotentialens högsta punkt och istället öppnas spänningskänsliga K⁺-kanaler, varpå kaliumjoner flödar ut ur cellen. Den negativa membranpotentialen återgår.
4. Hyperpolarisering. K⁺-kanalerna stängs långsamt, vilket leder till högre negativ membranpotential jämfört med vilopotentialen. Syftet är att hindra att aktionspotentialen fortlöper åt fel håll, tillbaka mot cellkroppen.
5. Refraktärperiod. Na⁺/K⁺-ATPase återställer vilopotentialen genom att ge upphov till normal jonkoncentration på respektive sida om cellmembranet.
   • Absolut refraktärperiod, period då majoriteten av spänningskänsliga Na⁺-kanaler fortfarande är inaktiverade och inte reagerar på depolarisation. Därmed kan cellen inte stimuleras till en ny aktionspotential.
   • Relativ refraktärperiod, period då spänningskänsliga K⁺-kanaler håller på att stängas och kalium fortfarande diffunderar ut ur cellen. Eftersom membranpotentialen är högre krävs det en kraftigare depolarisering än vanligt för att en ny aktionspotential skall uppstå.

Refraktionsperioden uppstår på grund av de spänningskänsliga Na⁺-kanalernas unika konstruktion. De har två mekanismer för stängning: en som öppnar kanalen vid depolarisation och en som inaktiverar kanalen vid repolarisation. När kanalen är inaktiverad öppnas den inte i respons till depolarisation, därav får vi en absolut refraktärperiod.

Synaps och signalöverföring

Synaps, utrymmet mellan två neuroner. Vanligtvis bildar ändförgreningar på det ena neuronets axon synapser på det andra neuronets dendriter, soma eller axon. I axonet på den presynaptiska cellen finns en stor mängd vesiklar med neurotransmittorer. När det presynaptiska neuronet depolariseras kommer dessa vesiklar att exocyteras till synapsutrymmet, där de binder till receptorer på en dendrit av den postsynaptiska cellen. Detta stimulerar jonkanaler till att öppnas, vilket förmedlar signalen vidare.

Det finns två olika typer av synapser:

• Kemisk synaps, mellan en axonterminal och dendrit med en bred synapsklyfta mellan dessa. Neurotransmittorer frisläpps från axonterminal på presynaptisk neuron genom exocytos av synaptiska vesiklar.
  • Neuromuskulär synaps (motorändplatta), typ av kemisk synaps där en enskild nervände ansluter till en enskild muskelfiber. Acetylkolin är här en viktig neurotransmittor.
• Elektrisk synaps, mellan två närliggande neuroner som utbyter joner och små molekyler genom gap junctions.

En egenskap som särskiljer dessa synapser åt är att kemiska synapser har möjlighet till förstärkning av signalen, eftersom exocytos av en enda vesikel leder till frisläppning av tusentals neurotransmittorer som kan stimulera många jonkanaler. Därmed kan en svag signal fortfarande ge upphov till en aktionspotential hos den postsynaptiska neuronen. Dock är elektriska synapser snabbare, eftersom de inte kräver diffusion av molekyler över en synapsklyfta.

Kortfattat följer den synaptiska transmissionen följande förlopp:

1. Aktionspotentialen propagerar från nervcellens axon hillock till det presynaptiska membranet
2. Depolarisationen av det presynaptiska membranet öppnar spänningskänsliga Ca²⁺-kanaler, vilket orsakar ett kraftigt inflöde av Ca²⁺ som aktiverar mekanismer som resulterar i fusion av vesikelmembran och cellmembran
3. Transmittorsubstansen utsöndras och diffunderar över klyftan till det postsynaptiska membranet, där det binder till receptorer
4. Inbindning till receptor orsakar öppning av jonkanaler, vilket leder till en förändring i membranpotential

Postsynaptisk potential (graded potential), temporär delvis depolarisering eller hyperpolarisering av en postsynaptisk cell, som orsakats av signalering från en presynaptisk cell. Flera postsynaptiska potentialer summeras och om det sker en tillräckligt hög depolarisation, som når tröskelvärdet i axon hillock, uppstår en aktionspotential. Det finns två typer av postsynaptisk potential:

• Excitatorisk postsynaptisk potential (EPSP), depolarisering av postsynaptisk cell som ökar chansen att cellen startar en aktionspotential (excitation).
• Inhibitorisk postsynaptisk potential (IPSP), hyperpolarisering av postsynaptisk cell som minskar chansen att cellen startar en aktionspotential (inhibering).

Temporal summation, addition av två eller fler EPSPer (eller IPSPer) som följer tätt inpå varandra i en enskild synaps (membranet repolariserar inte fullständigt efter den första EPSPn).

Spatial summation, addition av två eller fler EPSPer som genereras samtidigt i olika synapser.

Neurotransmittor, molekyl som förmedlar en nervsignal på kemisk väg från en neuron till en annan. Lagras i vesiklar i axonterminal som utgör den presynaptiska delen av synapsen. Som svar på en aktionspotential frisläpps de till den synaptiska klyftan där de binder till receptorer på postsynaptisk neuron.

Aminosyror	γ-aminobutyric acid (GABA) glutamat (Glu) glycin
Aminer	acetylkolin (ACh) dopamin (DA) serotonin (5-HT) adrenalin noradrenalin histamin
Peptider	substans P

Det finns två dominerande typer av receptorer för neurotransmittorer:

• Jonotrop receptor, aktiveras vid inbindning av ligand och fungerar som jonkanal.
• Metabotrop receptor, G-proteinkopplade receptorer som aktiverar en intracellulär metabolisk signalväg som sedan aktiverar en jonkanal.

Neuromodulator, molekyl som påverkar nervcellens sätt att reagera på synaptiska stimuli genom att öka eller minska neurotransmittorns effekt. Frisläpps likt neurotransmittorer ut i extracellulär matrix, men kvarstår med bibehållna egenskaper under längre tid. En neuromodulator kan därmed påverka nervceller under flera minuter.

Neurotransmittor	Effekt
glutamat	excitatorisk
GABA	inhibitorisk
glycin	inhibitorisk