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PSL 250 L11-20.docx

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Department
Physiology
Course
PSL 250
Professor
Dillon
Semester
Spring

Description
PSL 250 01/30/2014 L11: Subcortical Structures & Memory  1. Subcortical Structures  1. Below the cortex 2. Parts that we often have in common with other species 2. Basal Nuclei 1. Below the cortex and to the sides  2. Involved in postural control  1. Constantly getting feedback from muscles that tell them where the muscles are and  whether they are moving  2. Minimizes input  3. Mainly unconscious 3. Lack of dopamine▯Parkinson’s Disease 1. Can’t move well 2. Shaking (over­activation)  3. Difficulty speaking  4. Thinking ability is not inhibited  3. Thalamus  1. “Gate keeper”  2. Almost all sensory information synapses here on the way to the cortex  3. Edits the sensory information you receive based on the choice of the frontal lobe  4. Two types of autism are caused by a deficiency in the thalamus where either too much  information enters the brain or no information enters the brain  4. Hypothalamus  1. Beneath the thalamus  2. Has about 2 dozen subparts that monitor homeostatic conditions  3. Connected to homeostasis  1. Detects the problem but does not solve the problem  2. Temperature  3. Thirst  4. Milk release in new mothers  5. Hunger  6. Sleep  7. Reproductive urges  8. Light­dark responses  5. Limbic System  1. A ring of structures, primarily grouped with subcortical structures  2. Processing of emotion  1. Tells you how you feel but not what to do about it  3. Very few connections between limbic system and cortex  1. You cannot control your feelings, but you can control what you do about them  6. Neurotransmitters  1. Norepinephrine, dopamine, and serotonin are neurotransmitters in the limbic system  2. Altered concentrations of neurotransmitters have been associated with depression  (antidepressants use receptors for these neurotransmitters)  3. Excess dopamine has been linked to schizophrenia▯limits L­Dopa Parkinson’s treatment  7. Memory  1. Retention, storage, and ability to recall information 2. Memory traces are sequences of neural activations (how memory is stored)  3. Declarative Memory—facts: events, words, language, rules—hippocampus and temporal  lobe for storage  4. Procedural Memory—unconscious: physical skills, habits, tasks—cerebellum plays major  role  8. Short­Term Memory 1. Seconds to hours  2. Alter activity in existing neurons in hippocampus  3. Can be erased or replaced  9. Long­Term Memory  1. Creation of new synapses and memory traces  2. Make multiple copies of important memories over years  1. You may misremember something, but you assume that you have recalled the  information was correct  3. Retain youthful memories as you age  4. Transfer from hippocampus to cortex  10. Working Memory 1. In the pre­frontal association cortex  2. Compares newly acquired short term data and stored long term data  3. Determine relevance of new material, organized priorities  11. Amnesia  1. Inability to recall 2. Retrograde Amnesia  1. Caused by trauma▯Results in loss of short term memory  2. No long­term memory formation of traumatic events  3. No long­term memory loss, nothing to recall later  3. Anterograde Amnesia  1. Hippocampal damage—cannot form new long­term memories  2. No loss of previous long­term memory  3. Memory stuck on day of damage  4. Extremely rare condition  The ability to recall repressed memories does not exist L12: Cerebellum, Sleep, and Spinal Cord  Cerebellum  Structure on the back of the brainstem  Controls coordinated movements and learned movements  Well­understood  Balance Maintains balance and controls eye movements  Close connection between the cerebellum and your eyes  Coordination  Connected to motor cortex, receives “motor plan”  Stores “motor plan” Afferent input gives current muscle position  Coordinates function with “aim”, i.e. movement matches motor plan  As practice occurs, motor cortex, parietal lobe, and cerebellum take over  Planning is reduced, initiation of activity is faster and smoother input to cortex  Input to cortex  Allows cortex to know current position and movement  Cortex uses this information to plan future movements  Brain Stem  Medulla, pons, and midbrain  Involves functions that are very such in common with most vertebrates  Interface between spinal cord and higher brain centers  12 cranial nerves supply sensory and motor function to head and neck  Different centers in brainstem control heart rate, breathing, wakefulness  Reticular Activating System (RAS)  In brain stem Neural net, awareness of surroundings    Cortical, pain, auditory, and visual input  Can keep system “turned on” Output to cortex and thalamus▯All Cortex  Controls consciousness/sleep  Sleep  Low frequency activity in hypothalamus + thalamus▯Sleep Reason sleep is needed is unknown, but lack of sleep is very detrimental  EEG Patterns  Slow wave patterns in EEG give slow wave sleep its name  Slow Wave Sleep 4 stages, each progressively deeper over about 75 minute cycle  EEG waves are very different from being awake  Circadian rhythm▯Increase in adenosine▯Sleep  Sensitive to caffeine, caffeine blocks adenosine response  Sleep factor: muramyl dipeptide▯strong sleep inducer “You can’t keep your eyes open”  Produced in very small amounts and can only pass through the BBB in small amounts  EEG pattern during REM sleep (Paradoxical Sleep) are similar to being awake  REM—Rapid Eye Movement (Paradoxical) Sleep  15 minutes long, at the end of a slow wave sleep cycle  Paradoxical sleep—hard to awaken, most likely to wake self  High visual cortex, low frontal, high memory areas▯ Vivid, illogical dreams  New synaptic contacts made▯Increases in long term memory  Will make­up missed REM sleep  Spinal Cord  Neural tissue, encased in vertebral column  Carries action potentials between the brain and the body in both directions   Gray matter in the middle—cell bodies and interneurons  White matter on the outside—myelinated neural tracts  Tracts  Bundles of neural axons that carry action potentials  Ascending tracts carry action potentials toward the brain  Descending tracts carry action potentials from the brain to efferent neurons  Dorsal Roots  Located towards the back  Entry points for afferent neurons to the spinal cord Bilateral Afferent cell bodies are in the dorsal root ganglia  Ventral Roots  Carry efferent action potentials out of the spinal cord  Cell bodies of efferent neurons in the gray matter Reflexes  Neural response without a conscious input  You do not HAVE to be conscious but you can be  Reflex Arc  Receptor▯afferent neuron▯CNS▯efferent neuron▯effector  CNS portion may have 1 or more synapses (must have at least one)  Monosynaptic reflex: 1 synapse Polysynaptic reflex: multiple synapses  Interneurons between afferent and efferent neurons  Most reflexes are like this  Effectors are muscles and glands  Withdrawal Reflex  Polysynaptic reflex  Multiple neurons between afferent and motor neurons  Prolonged response and feedback  Very strong reflex, but with potential CNS input   Can involve conscious input  Stretch Reflex  Muscle length information Monosynaptic reflex—knee jerk  Should take 0.19 seconds▯Tells integrity of the spinal cord  Activation of afferent neuron produces reflex response through synapse to efferent neuron  No control by upper CNS  L13: Afferent Nervous System: Pain, Taste, Smell  Sensory Receptors—Sensation Connect an environmental signal to the body  Transduction: the conversion of an external stimulus to a physiological signal  The brain converts the physiological signal into a perceived sensation  The brain interprets the perceived sensation as the norm (i.e. pen between crossed fingers)  Stimulus  Environmental signal  Binds and changes a receptor—signal now in body  Each receptor binds to one stimulus best  Sensation  Conscious senses (5 senses and time)  Unconscious—position, temperature, blood pressure changes  Types of Receptors  Must bind to stimulus No dendrites on receptor cells (except smell)  Modified nerve endings to interact with stimulus Physical  Physical changes open ion channels  Changes membrane potential  Examples Photoreceptors (eyes)  Touch receptors  Hair cells in ears   Baroreceptors  Chemical  Taste, smell Chemoreceptors: chemical binds to receptors—opens channel, changes membrane potential  Receptor Potentials Also called generator potentials, local potentials (NOT action potentials)  Depolarization of receptor cells  Size of potential proportional to size of stimulus  Receptor fields vary in size, depend on number of afferent neurons  Magnitude  More stimulus▯greater receptor potential  In receptor cells without action potentials, release of neurotransmitters are proportional to the receptor  potential  Frequency Dependence  Continuous stimulus▯Larger graded potentials▯More action potentials to CNS  Action potential number translated by CNS as size of stimulus  Adaptation Decreases action potential number despite prolonged stimulus  Off “stimulus”  Phasic Receptors  Adapt over time—rate is variable  Touch receptors adapt quickly  Pain and blood pressure adapt more slowly Tonic Receptors  Slowly adapting  Virtually do not adapt—few true tonic receptors  Smell receptors  Postural receptors in trunk are near tonic  Continually send messages to CNS  Sensory Specificity  Normal stimulus produces a response that the brain interprets Different stimulus needs more strength for a response  Brain still interprets as “normal” response Ex. Seeing “stars”  Pain  Survival Value▯Protection from harm  Anticipation of pain activates pain areas of cortex  Thinking that something is going to hurt activates the same area that actual pain causes  Nociceptors—Pain receptors—Chemical and Physical  Fast Pain  Sharp, localized, passes quickly  Fast, large, myelinated afferents—glutamate neurotransmitter Slow Pain  Diffuse, dull, long lasting There does come a point that your body assumes that the pain is unending▯reason why serious pain  medications are given earlier than they were in the past Slow, unmyelinated afferents—substance P neurotransmitter (specialized neurotransmitter for slow pain)  Presence suspected before discovery  Neurotransmitter unique to afferent, slow pain neurons  Opioid Receptors  Natural analgesics block pain by binding to opioid receptors Activation alters ion channels and membrane potential  Enkephalins/Endorphins Peptides, multiple types, different sizes Short half­life, 25 seconds  Morphine  Effective for hours  Highly addictive  Decrease activation of breathing pathways in brain stem  Chemical Senses  Molecular binding to receptor  Flavor: combination of smell and taste  Taste  Molecules dissolve in saliva and reach taste bud receptors to be tasted  Taste Buds Receptors at taste pore  Tight junctions keep saliva away from rest of taste and protect the taste bud  Development: Surrounding epithelial cells▯Basal cells▯Receptor cells  If a taste bud dies, it takes 10 days for it to regrow  Sent to thalamus and limbic system  Neural Tracts  Sensory neurons send taste information  Neurons to thalamus—parietal lobe, “what” taste Neurons to limbic system—“like” it  Taste Receptors  Salty—Na+  Sweet—Organic sugars Acids/sour—H+ Bitter, bases (quinine)—cations, poisons, most sensitive receptor  Umami—glutamate (MSG)  Smell Olfactory mucus membrane on roof of nasal cavity  >1000 different odor receptors  Largest gene family, >1% of the human genome  Molecules must diffuse through mucus (H2O soluble) and bind to receptor to activate  Must be volatile enough to float to top of cavity (receptors at top of cavity)  Smelling certain things can be learned (wine, cheese, etc.)  Olfactory Receptors Part of dendrites of olfactory neurons—covered by mucus  Neurons turn over every few weeks (can undergo mitosis and divide)  Unusual▯dendrites as receptors and can create new neurons (both exceptions to the norm)  Olfactory Adaptation Primarily tonic (do not turn off)  Most adaptation in CNS (brain can overcome adaptation)  Adaptation to one smell does not affect others  L14: Vision  Structure of the Eye  Designed to receive light and produce electrical signals  Cornea Clear, non­cellular front of the eye Light passes through, not refracted (bent)  Stigmatism  Laser eye surgery reshapes cornea to fix its misshapenness  Lens (Ciliary body)  Glycoproteins  Lens refracts light to focus on retina  Held in place with ciliary muscle and ciliary body  Contractions allow you to change the length of your vision—allows lens to round up—focus near  Muscles relax to distance vision  C.B. has muscles parallel to lens  Iris Opens/closes pupil Smooth muscle—contractions adjust to light level (long term contractions)  Certain eye colors are not more sensitive  Aqueous Humor Between cornea and lens—constant production and drainage  Liquid­like Glaucoma: Decrease in drainage or excess production▯Increase in pressure▯Retinal damage Treatments for Glaucoma Beta blockers: Decrease production  Cholinergic agonists: Increase drainage  Vitreous Humor Gel­like (firmer than Jell­O), clear  Bulk of eye volume  Between lens and retina—maintenance of eyeball shape  No refraction Choroid  Highly pigmented layer behind retina Absorbs light that is not picked up by retina (opposite of a mirror)  No reflection  No signal  Prevents the production of dozens of images in the eye  Refraction Bending of light waves  Glycoproteins in lens refract light, focus it on the retina  Retina  Visual receptors at the back of the eye Multiple cell layers  Light passes through bipolar and ganglion cells to reach photoreceptor cells  Bipolar and ganglion cells are pulled back at fovea  Fovea  Best color vision  Dense cone photoreceptor concentration  You unconsciously cause light to fall on the fovea of your dominant eye  You cannot have light directly hit both foveas at the same time  Photoreceptors  Rods Detect shades of gray  Most photoreceptors  Cones Have color receptors and can detect color  Have fewer overall   Rods and cones produce receptor potentials—no action potentials  Both converge on bipolar cells  Bipolar Cells  Generator potentials (type of graded potential)—activated by rods and cones  Release neurotransmitters onto ganglion cells No action potentials—synapse with ganglion cells  Edge effect—center/surround on/off effects  Ganglion Cells  Reach threshold and fire action potentials that leave eye for the CNS  Carry visual information to lateral geniculate (part of the thalamus)▯Cortex  Optic Nerve  Bundle of ganglion cell axons  Creates blind spot as axons pass through retina  Cortex fills in blind spot with expected image  Lateral Geniculate  Part of thalamus Receives information from ganglion cells  Edits information to cortex  Visual Cortex  Multiple areas in occipital lobe  Integrates input of visual perception  Relative positions—3D images  Accommodation Change in lens thickness alters focal pint for near and far vision  Far sources focused on retina without accommodation Near source focused on retina with accommodation  Ciliary muscles control focus  Presbyopia  Lens gradually hardens over decades  Hardening reduces rounding of lens for near vision At about 40­45 years old, difficulty focusing on near objects  Cause of reading glasses, bifocals  Myopia­Hyperopia  Inability to focus on retina  Myopia: near­sighted, eyeball or lens too long, focus in front of retina  More common  Corrected with concave lens  Hyperopia: far­sighted, eyeball too short, focus behind retina  Correct with convex lens  Rhodopsin  Visual pigment in rod cells Combination of opsin (protein) and retinene (Vitamin A derivative—dye)  Light hits retinene and partially splits it from opsin (bleaching)  Opsin now active—G Protein system—recycles 14/sec  Brain produces 14 images per second  When opsin begins activity▯A change in membrane potential▯Releases neurotransmitter Retinene rebinds to opsins (turns it off), awaiting new light  Color Vision 3 different opsins with retinene  Shading of retinene limits frequency range Needs a stronger light  Peaks at red (also sees yellow), green, and blue wavelengths  Color Blindness One opsin missing  Green is most common (because green is on X chromosome, more strongly affects males)  Can’t distinguish certain wavelengths with equal activation of the remaining opsins  L15: Hearing and Equilibrium Hearing: the conversion of sound waves to electrical waves  Parts of the Ear Outer Ear: the external portion of your ear   Little amplification  Direction detection  A sound coming from the back sound differently than those coming from the front because the ear faces  forward A sound coming from one side hits one ear before the other Hence why, when you are trying to listen to something, you put one ear forward Tympanic Membrane—Eardrum  Overlapping membranes  Separating outer and middle ears  Vibrates to external air waves  Middle Ear Air filled Amplifies sound 20x Ear bones  Malleus—incus—stapes (Hammer—anvil—stirrup)  Carry waves from tympanic membrane to oval window  Eustachian Tube Drains middle ear of fluid  Equalizes air pressure between middle ear and sinuses  Normally closed—if unopened, tubes needed in eardrum  In a child, it may be closed but as child grows, the facial bones spread out and allow the tube to be opened 
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