Неврологія: Біологія мозку та нервової системи

Вступ до нейробіології

Нейробіологія – це наукове вивчення нервової системи — її структура, функції, розвиток, генетика, біохімія, фізіологія, фармакологія та патологія. Мозок, з приблизно 86 мільярдами нейронів, що утворюють трильйони синаптичних зв’язків, є найскладнішою відомою біологічною структурою. Розуміння того, як нейронні мікросхеми обчислюють інформацію, генерують поведінку, кодують пам'ять і породжують усвідомлення, є одним із найбільших викликів для науки та найважливішим напрямком досліджень.

Сучасна нейробіологія міждисциплінарна, поєднуючи молекулярну та клітинну біологію, фізіологію, психологію, обчислювальне моделювання та медицину. Технології, включаючи електрофізику з петлевим замиканням, багатоелектродні масиви, двофотонне кальцієве зображення, оптогенетику та мережеві дослідження, трансформували нашу здатність вивчати нейронну активність на різних масштабах — від окремих іонів до мереж усього мозку. Проект «Human Connectome», Allen Brain Atlas та ініціатива BRAIN представляють національні інвестиції в картограмування структури та функцій мозку.

Клітинна Неврологія

Потенціалидії та проведення

Нейрони підтримують постійний мембранний потенціал приблизно -70 мВ завдяки нерівномірному розподілу іонів, що підтримується Na+/K+-АТФазою. Деполяризація вище порогового значення запускає недиференційований потенціалдії: швидкий надходження Na+ через натрій-каналі генерує підйомний етап; відтік K+ та вимикання натрій-каналів реполяризують мембрану. Потенціалидії поширюються в одному напрямку вздовж аксонів. Мієлінові оболонки, що виробляє олігодендроцити у ЦНС, збільшують швидкість проведення за допомогою стрибкоподібного проведення між нервовими вузлами — від 1 м/с у немієлінованих C-волокон до 120 м/с у мієлінованих Aальфа-волокон. Демоілеїнізація при розсіяному склерозі погіршує проведення та викликає неврологічні симптоми.

Синаптичне Трансмітування

Хемісинаптичне трансмітування сигналів між нейронами відбувається через вивільнення нейромедіаторів. Потенціалидії на пресинаптичній терміналі запускають надходження Ca2+ через натрій-каналі; підвищений рівень Ca2+ змушує синаптичні везикули зливатися з плазматичною мембраною за допомогою білків SNARE, вивільняючи нейромедіатор у синаптичну щілину. Нейромедіатори зв'язуються з рецепторами на постсинаптичній терміналі: іонні рецептори (лігандо-залежні іони, швидке мілісекундне трансмітування) або метаботропні GPCR (повільне, модулююче трансмітування). AMPA та NMDA глутаматні рецептори забезпечують швидке збудження; GABA-A рецептори забезпечують швидке гальмування. Баланс між збудженням і гальмуванням визначає динаміку нейронних мереж.

Пластичність і пам’ять

Довготривала потенціація (ДТП) — це залежно від активності зміцнення синаптичного передавання — клітинне підґрунтя навчання та пам’яті. ДТП на гіпокампальних синапсах Шaffer collateral-CA1 вимагає одночасного пресинаптичного вивільнення глутамату та постаточного де поляризації для зняття блокування Mg2+ NMDA рецепторів, що дозволяє Ca2+ проникнути і активувати CaMKII. CaMKII фосфорилює AMPA-рецептори, збільшуючи провідність і залучає додаткові AMPA-рецептори до синапсу. Пізній етап ДТП вимагає експресії генів через CREB та розширення дендритної спини. Бета-амілоїдні олигомери погіршують ДТП, що може пояснити ранні когнітивні дефіцити при хворобі Альцгеймера.

Гомеостатична пластичність

Крім геббранської ДТП, нейрони проявляють гомеостатичну пластичність, підтримуючи активність у функціональних діапазонах. Синаптичне масштабування пропорційно коригує всі синаптичні сили у відповідь на тривалі зміни активності — збільшуючи чутливість рецепторів, коли хронічно недостатньо активні, зменшуючи їх, коли надмірно активні. Це запобігає неконтрольованій ексцитації (суб’екція) або повній тиші, що дестабілізує схеми. Гомеостатичне регулювання працює в часових масштабах від годин до днів за допомогою переміщення рецепторів, змін у дендритній збудливості та коригування кількості квантів на пресинаптичному рівні. Збої в механізмах гомеостазу можуть сприяти епілепсії та іншим розладам гіперзбудливості.”]} place holder for additional sections, if any. {

paragraphs

Системи мозку та захворювання

Основні нейротрансмісійні системи формують функцію мозку в цілому. Дофамін з субстанціональної чорної ділянки та підвім’янного тіла проектується широко, підсилюючи винагороди та регулюючи рух – його дефіцит викликає хворобу Паркінсона, а надмірне вироблення – шизофренію. Серутонін з рафевих ядер модулює настрій, апетит і сон – цільовий препарат для депресії SSRІ. Норадреналін з місця зосередження регулює пробудженість та увагу; його втрата сприяє депресії, викликаній хворобою Альцгеймера, та СДУГ. Розуміння цих систем допомагає в розробці психофармакології та лікування залежностей, де засоби зловживання експлуатують дофамінові шляхи винагороди.

Приклади та застосування

Приклад 1: Втрата синаптичних зв’язків при хворобі Альцгеймера

Хвороба Альцгеймера характеризується наявністю амілоїдних бляшок і нейрофільтричних цитокілець тау. Розщеплення АПП бета- та гамма-секретазамими виробляє пептиди амілоїд-бета 42, які агрегуються в олігомери та бляшки. Олігомери амілоїд-бети порушують функцію NMDA рецепторів, видаляють AMPA рецептори синапсу та активують мікроглія, що викликає нейрозапалення. Перенасичення тау гіперфосфорилізацією порушує стабілізацію мікротрубочок, спричиняючи утворення нейрофільтричних цитокілець і порушення транспорту аксонів. Антиамідні антитіла (лексанемам) показали помітний клінічний ефект на ранніх стадіях захворювання, що відображає значну невирішену медичну потребу у всьому світі.

Приклад 2: Оптогенетика

Оптогенетика використовує світлочутливі канальцеформи, отримані з водоростей, які експресуються в певних нейронах, дозволяючи активації або припиненню дії за допомогою світла, що подається через оптичні волокна. Це дозволяє проводити причинно-наслідкові дослідження щодо того, чи певні циркуляції опосередковують певні поведінкові реакції — раніше були лише кореляційні дослідження. Оптогенетика ідентифікувала циркуляції, що опосередковують страх, винагороду, сон та рух. Клінічні застосування включають відновлення зору при успадкованих ретикулярних дисплазіях шляхом експресії канальцеформ у вижилих гангліозних клітинах сітківки — вступають у клінічні випробування з перспективними ранніми результатами.

Приклад 3: Гіпокампальні місця та навігація

Місця в гіпокампі активуються селективно, коли тварина займає певне місце в своєму оточенні, формуючи когнітивний макет простору. Клітин-грид у енторгінальній оболонці активуються в шестикутній моде в різних середовищах, забезпечуючи метрику відстані. Клітини напрямку голови кодують орієнтацію. Разом ці системи формують GPS-подібну навігаційну систему у ссавців, включаючи людей. Нобелівська премія 2014 року з фізіології та медицини була присуджена Джону О'Кі, Май-Бріт і Едварду Мозеру за це відкриття, що відображає її фундаментальне значення для розуміння того, як мозок представляє світ.

Приклад 4: Глибокий мозковий стимулювання при хворобі Паркінсона

Глибоке мозкове стимулювання (ГМС) субталамового ядра значно зменшує тремор, ригідність і брадикінезу при хворобі Паркінсоні, знижуючи потреби в ліках та покращуючи якість життя. Механізм не повністю зрозумілий — високочастотне стимулювання може нормалізувати патологічно синхронізовану базову активність глибоко мозочка, яка порушує рух. ГМС також схвалено для есенціального тремору, дистонії та обсесивно-компульсивного розладу, а також досліджується для депресії, хвороби Альцгеймера та тортур синдрому, що демонструє широкі терапевтичні можливості нейромодуляції.

Приклад 5: Болюча неврологія та опіоїди

Нейронцетири експресують TrpV1, TrpA1 і кислоточутливі канали, які перетворюють шкідливі стимули на електричні сигнали, що передаються через C та Adelta волокна до нейронів спинномозкового стовпа. Спускаюча модуляція з періакуадтальної сірий речовини використовує опіоидні, серотонінові та норадреналінові системи для пригнічення або сприяння болю. Сенситизація — периферична (знижений поріг нейронцетира після запалення) і центральна (підвищена чутливість спинномозкового стовпа) — лежить в основі хронічного болю. Криза з опіоїдами відображає те, як ліки, що експлуатують ендогенні му-опіоидні рецептори для анальгії, викликають залежність через активацію дофамінергійної винагороди, — це все ще досліджується.

Приклад 6: Сон та консолідація пам'яті

Сон не є пасивним відпочинком, а активний стан, який є необхідним для консолідації пам’яті. Під час НРЕМ (глибокого) сну гіпокампальні шари-вовалися супроводжуються відновленням досвіду пробудження; кортіко-гіпокампальна взаємодія переносить представлення пам'яті в неокортику для довготривалої пам’яті. Спинові хвилі (таламо-кортикальні коливання) координують цей процес передачі. Система глифіка – кровоносний протік спинномозкової рідини, — очищає метаболічні відходи, включаючи амілоїд-бета, переважно під час сну, що потенційно пов’язує порушення сну з ризиком хвороби Альцгеймера. Хронічний дефіцит сну погіршує когнітивні здібності еквівалентно дефіциту сну, проте ігнорується як проблема громадського здоров'я.

Приклад 7: Нейропластичність після інсульту

Після фокального ураження мозку вижилі ділянки можуть організовуватися для часткового компенсації втраченої функції — моторний кора переносить своє представлення, щоб включити перилезійні тканини, контрлезійну півкулю та підкороткові структури. Терапія з обмеженням руху примушує використовувати уражену кінцівку, що сприяє корі мозку, — це переорганізація. Транскраніальна магнітна стимуляція (ТМС) і транскраніальна пряма струмова стимуляція (тДДС) модулюють кору мозку, підвищуючи нейропластичність під час реабілітації. Інтерфейси мозок-комп’ютер можуть декодувати сигнали наміру руху від кількох нейронів, потенційно дозволяючи паралізованим пацієнтам контролювати протези або курсори комп'ютера за допомогою думки.

Приклад 8: Взаємозв’язок між кишківником та мозком

Взаємозв’язок між кишківником — це бідирекціональна система зв’язку: вагові afferents передають сигнали з мікробіому кишківника до мозкового стебла; кишкова нервова система (100 мільйонів нейронів) працює напівавтономно; кишкові-вироблені серотоніни (95% тілового серотоніну синтезуються в еритрохромних клітинах) впливають на настрій. Безмікробіотичні миші демонструють аналітично-подібну поведінку, яка нормалізується за допомогою пробіотичного колонізації; клінічні випробування з трансплантацією кишкового мікробіому для депресії та розладів аутистичного спектру тривають на основі мікробіом-поведінкових асоціацій у людей і механістичних досліджень у тваринах. Взаємозв’язок між кишківником — це перспективний фронт, що з’єднує мікробіологію, нейронауку та психіатрію.

Спробуйте онлайн

Все вище працює у вашому браузері – відкрийте симулятор Потенціалу дії Нервоної Цитоплазми та змінюйте параметри під час його роботи. Не встановлюється нічого, не завантажується жодного файлу, весь модель живе в одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Neuron Action Potential Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.