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Psychology 1000

Chapter 3 Biological Foundations  Lecture 5 [20.9.12]  More on Research Design  The Neuron  Action Potential  Next time: The synapse [KNOW VERY WELL]  Scan: page 73­78 What are some sources of bias in an experiment?  What is the basic structure of a neuron? How do neurons “work”?  The Nervous System  1 Descartes –reflex arc - Stimuli are transferred from periphery to brain and reflected back  - When a flame is hot, the info goes to brain and the signal goes back to your hand and you move  your hand away  - How? It came from “animal spirits”  - He also talked about the importance of pineal gland (control of hormonal function), stimuli goes to  PG, where God acts with humans (where divine intervention happens) 2 Swammerdam’s frog Experiment  - He used frogs’ leg and put it in a jar - If some animal spirits’ infuse jar and the leg is placed in the jar, connects to battery, and measure  the volume in the jar (volume should rise) - Result: volume didn’t rise - Demonstrated that nervous impulse has something to do with electricity  3 Bell  - Types of nerves - Sensory nerves are found from afferent fibers (come into brain) - Motor nervous are found from efferent fibres (go to effector, leave the brain to outside structures) - knows that electricity is involved  4 Bell and Muller - Sensory fibers bring info form periphery sensory structure  - Each sensory mechanism has different energy (wrong!) - Turn has a way to differentiate the impulses 5 Speed of Impulse  - Muller: 9000ft/min to 57 billion ft/sec - There is a limit how fast limit impulse can travel  - Nerve impulse is not instantaneous  - Helmholtz  ▯50­100 metres/sec is speed of nerve impulse  - a lot of slower than instantaneous  6 Reaction Time  - Maskelyne and Kinnebrook  - To measure time, the 2 guys were observatory. They measured the movement of stars.  - K’s times were slower than M’s - K had slower reaction time (recorded the time when star crosses) - Importance: there is nervous system influence because reaction time is individual  The Neuron o Cell body: nourish and maintains the other parts of neuron  o Dendrites: receiving parts of a neuron, comes into dendrites and go to cell body; dendrites pick  up external sensory stimuli  o Every neuron has 1 axon  o At the end of axon, it can be branched off o Axon Terminals Synaptic Knobs: axon is sending side of neuron, send signal to axon terminals  that might swell at the end of the structure  o Axons can be covered with myelin sheath (an insulator) –has a faster transmission  o People without Myelin may have multiple sclerosis  o Node of Ranvier: generates electrical charge  Classify the neuron by shape  o Bipolar cell: body in the middle, axon swells  at one end, dendrites at the other end  o Unipolar: only one shoot coming out from cell  body o Multipolar cell Classify by function  o Sensory neurons▯outside periphery sensory   systems come in o Motor neurons▯efferent fibers  o Inter neurons▯relay stations (pick up info and   process a bit) The Neural Bases of Behaviour [page  70­78] Neurons  o Specialized cells that are linked together in circuits  o Each neuron has: - Cell body: contains the biochemical structures needed to keep the neuron alive and its nucleus  carries the genetic info that determines how the cell develops and functions  - Dendrite: branch­like fibers emerging from cell body; they collect messages from neighboring  neurons and send them to cell body   - Axon: conducts electrical impulses away form the cell body to other neurons, muscles or glands  - Axon terminal: connect with dendritic branches  o Neurons are supported in their functions by glial cells  o Glial cells: - Surround neurons and hold them in place  - Manufacture nutrients, chemicals that neurons need  - Form the myelin sheath around some axons  - Absorb toxins and waste materials that might damage neurons  - Blood­brain barrier: prevents many foreign substances (ex. toxins) from entering the brain  - Walls of the blood vessels in brain contain smaller gaps and covered by glial cells  - Glial cells send out long fibers that guide newly divided neurons to their targeted place in the brain  as new neurons are formed (during prenatal brain development) The Electrical Activity of Neurons  o Neurons generates electricity and create nerve impulses, release chemicals that allow them to  communicate with other neurons and with muscles and glands  o At rest, the neuron has an electrical resting potential (in a state of polarization).  - The outside of the neuron is a salty fluid of Na+ and Cl –  - Inside the neuron are large anions, protein molecules and K+ - The inside is negative compared to the outside (high concentration of Na+ outside cell)  The Action Potential  o A sudden reversal in the neuron’s membrane voltage from ­70 millivolts to +4OmV  o Depolarization: the shift form negative to positive voltage 1. In resting state, the neuron’s Na and K channels are closed and the concentration of Na +ions is  10 times higher outside the neuron than inside  2. When neuron is stimulated, Na channels open and Na ions flow into axon. K channels are still  closed  3. Na channels close and K channels open so that K ions leave. 4. Eventually, the excess sodium ions flow out of the neuron and escaped K are recovered. This  restores the negative resting potential at that point.  o Effect of action potential spreads to adjacent Na channels and the action potential flows down the  length of the axon to the axon terminals  o After an impulse passes a point along the axon, K+ ions flow out of the interior o During the absolute refractory period, membrane is not excitable and cannot generate another  action potential o All or nothing law: action potentials occur at a uniform and maximum intensity or they don’t occur  at all  - Negative potential inside the axon has to be changed from ­70 to ­50 millivolts (the action  potential threshold) by the influx of Na ions into axon  - Graded potentials: changes in the negative resting potential that don’t reach the –(negative) 50 mV  action potential threshold  The Myelin Sheath  o fatty, whitish insulation layer derived form glial cells during development  o sheath is interrupted by nodes of Ranvier o In unmyelinated axons, action potential travels down the axon length like burning fuse  o In myelinated axons, electrical conduction can skip from node to node - higher conduction speeds  o Damaged myelin coating causes multiple sclerosis  Synaptic Transmission: Neuron Communication  o Synaptic cleft: tiny gap between the axon terminal of one neuron and the dendrite of the next neuron  Neurotransmitters o Chemical substances produced by the neurons that carry messages across the synapse to excite/or  inhibit firing of neurons  o the process of chemical communication: 1. Synthesis: chemical molecules are formed inside the neuron  2. Storage: molecules are stored in synaptic vesicles [chambers] 3. Release: vesicles are moved to surface of axon terminal and the molecules are released into the  fluid­filled space between the axon of the presynaptic neuron and the membrane of the  postsynaptic neuron  4. Binding: molecules pass the synaptic space and bind to receptor sites [large protein molecules  embedded in the receiving neuron’s cell membrane 5. Deactivation: 0nce the neurotransmitter molecule binds to the receptor, it continues to activate  or inhibit the neuron until it is deactivated (shut off) –the molecule is broken down chemically  ­Reuptake: deactivation mechanism where the transmitter molecules are reabsorbed into the  presynaptic axon terminal  Excitation, Inhibition and Deactivation  o Binding of a transmitter molecule to the receptor site produces a chemical reaction that can: 1. Depolarize [excite] the postsynaptic cell membrane by stimulating an inflow of Na and (+)  ions  - Neurotransmitters that create depolarization are excitatory transmitters (increases likelihood of  action potential) 2. Hyperpolarize the postsynaptic membrane by stimulating ion channels that allow (+) K+  ions to flow out of the neuron and (­) ions like Cl – to flow into the neuron  - Makes the membrane potential more negative  - Hyperpolarization makes it more difficult for excitatory transmitters at other receptor sites to  depolarize the neuron to its action potential threshold  - These transmitters that create hyperpolarization are inhibitory to their function d ▯ ecreases  likelihood of action potential  - Inhibition allows balance of neural activity and prevents uncoordinated discharge of the nervous  system  o Drugs may target the transmitter’s receptor, bind to the receptor instead of the neurotransmitter  o Drugs alter synaptic transmission by influencing how the transmitter is cleared from the synaptic  cleft after it has been released  Specialized Transmitter Systems  Glutamate: o Excitatory o Important in mechanisms with learning and memory  o Over activation of glutamate will induce seizure activity in the brain  GABA o Inhibitory neurotransmitter  o Important for motor control and control of anxiety  Acetylcholine (ACh) o Involved in memory and muscle activity  o Underproduction causes Alzheimer’s o Excitatory transmitter at the synapses where neurons activate muscle cells  o Drugs that block ACl can prevent muscle activation, resulting muscular paralysis  Dopamine o Mediate functions like motivation, rewards, feelings of pleasure, voluntary motor control and  control of thought processes  o Malfunctioning of this neurotransmitter may lead to Parkinson’s disease and depression o Parkinson’s disease can be treated with L­DOPA (drug) that increases amount of dopamine in the  brain  Serotonin o A neurotransmitter that influences mood, eating, sleep, sexual behaviour  o Antidepressant drugs (Prozac) blocks the reuptake of serotonin from the synaptic space, allowing  serotonin molecules to change moods of depressed patients o Other antidepressant drugs inhibit the activity of enzymes in the synaptic space that deactivate  serotonin by breaking it into simpler chemicals  Endorphins  o Neurotransmitters that reduce pain and increase feelings of well being  o Bind to same receptors as the ones activated by opiate drugs (ex. Opium and morphine)  Neuromodulators o Have a generalized influence on synaptic transmission  o Circulate through the brain and either increase or decrease (modulate) the sensitivity of neurons  to their specific transmitters  Lecture 6 [25.9.12] Synaptic Communication  How do neurons work? Neural Communication The Synapse Next Time: Drug effects, The Brain  Scan: page 80­90 Midterms: October 13th How do neurons produce an electrical signal?  How does a neuron code intensity?  How does one neuron communicate with another?   o Caffeine stimulates your body, replaces adenosine (causes drowsiness) o When you consume caffeine, it binds to adenosine receptors  o A new viral disease had been found that actually destroys the myelin sheath around a neuron. This  results in slower neural conduction How does a cell produce an electrical signal? o Neuron is semi porous bag of fluid, separated from the extracellular fluid by a semipermeable cell  membrane  o Inside and outside the neuron cell, there are ions (Na+, K+, Cl­, A­) o The level concentration –there is way more Na+ outside the cell relative to the inside  - There is a positive charge on the outside and negative charge on the inside  The Action Potential  [very important and how it gets generated] o Neuron has a charge about ­70 millivolts: it is at a resting potential  o As we stimulate the neuron, the neuron is losing its polarity and it becomes positive (depolarization) o The inflow of Na+ makes neuron more positive  o If you hit a threshold, neuron will continue to get positive and rush right on and get really positive  (40 mV) - you can graph is forming the first part of a wave form  - Dropping the electric charge is called repolarization because K+ is leaking out the neuron o After neuron is repolarized, it goes below ­70 mv [­70, +40] o When the neuron is below ­70mv, the neuron is hyperpolarized.  Absolute Refractory Period: when it goes from highest to lowest millivolts (K+ ions flow out of  interior), membrane is not excitable and cannot generate another action potential  Relative Refractory period: below resting potential, you can’t stimulate neuron but you need a strong  stimulus for it to work  Neural Communication  o Generates action potential and move down the axon o You kick K out and thus that brings Na and not you have a positive area o Changing concentration of adjacent areas carry signals down axon  o Only axons have action potentials  o Axon hillock: where axon joins body o Graded potential o Action potentials: only in the axon Coding Intensity - Neuron fibres act in an all or nothing fashion, you either general action potential or not - height of “spike” is fixed  How to code intensity? [Longer the neuron at the end, the weaker] 1. Frequency of the firing of neurons action potentials 2. Number of neurons fired  3. Looking at the intensity  - Intensity of stimulus is directly proportional to frequency of firing  - Neuron keeps firing and recovers  - When you increase the strength of stimulus, more spikes, neuron fires really fast - You’re going to hit the point where you can fire anymore: the absolute refractory period limits the  amount of firing (neuron can’ fire any faster)  - Goes through two refractory periods then goes back to resting potential  How do cells communicate? [The Reflex Arc] - Sensory neuron is connected to interneuron which connects to motor neuron  - These neurons don’t actually “connect” there’s a space in between called the synapse  - Drugs have their effect at the level of synapse  Sherrington’s experiment  ­Flexor Response: 200ft/sec ­Reflex Arc: 2 ft ­Latency (how long does it take to withdraw its paw when animal is stimulated): 10 millisec  Thus, neurons can’t touch each other. There’s a gap between the neurons.  The Synapse o Action potential comes down the axon, electrical activity hits the presynaptic membrane o Synaptic vesicle hits the gap, and dumps the chemicals into the gap o Chemicals flow across the gap  o Neurotransmitters locks into the receptor sites (if the shape matches)  o this opens the Na ion channels of the postsynaptic membrane o you get a positive change, the membrane becomes depolarized and gets more positive at  postsynaptic channel o This is a graded potential EPSP▯ excitatory post synaptic potential ­ Changes in negative resting but do not reach the ­59 mV action potential o Sometimes the K+ channels 
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