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Dalhousie University
PHYL 1010X

Module VI Neuron Function INTRODUCTION: Individual nerve cells, called neurons, are the basic units of the nervous system. The neurons form the  communication network of the nervous system. They can generate electrical signals at their cell bodies, and relay  them to distant regions of the cell. They can also relay signals to other cells by releasing chemical messengers. It  is therefore quite fitting that we should start our discussion of the nervous system with the neuron. All cells have a voltage or potential difference across their plasma membranes; the inside of cells has a  negative potential (or is negatively charged) with respect to the outside (potential of 0 mV). This potential  difference is called the membrane potential. Certain cells possess special properties that enable them to change  their permeabilities to certain ions in response to a stimulus. These cells are called excitable cells and make up  what is called excitable tissue. The neurons of the nervous system are excitable cells that can change their  permeabilities to ions such as sodium and potassium. A change in permeability to these ions causes a change in  membrane potential. These changes in membrane potential are the electrical signals that are used to communicate  with other parts of the nervous system. After a brief look at the organization of the nervous system, this unit focusses on membrane potentials,  and on how certain changes in membrane potentials can be used to transmit information from one part of the  nervous system to another. Then you will learn how electrical activity in one neuron can be transmitted to other  neurons. Central to this process is the synapse, a specialized junction between two neurons. At the synapse, the  electrical activity of one neuron, the presynaptic neuron, can influence the electrical activity of a second neuron,  the postsynaptic neuron. The connecting link between the two is a chemical transmitter. Chemical transmission at  synapses allows electrical signals that are generated in one part of the nervous system to affect electrical activity  in another part. Chemical transmission also occurs between nerve cells and effector cells. The classic example is  neuromuscular transmission. It occurs at the neuromuscular junction between motor nerve endings and skeletal  muscle cells, and will be studied in Module 7. ORGANIZATION OF THE NERVOUS SYSTEM: • PNS sends information to the CNS through afferent sensory neurons • PNS takes information from the CNS to target cells via efferent neurons • Enteric nervous system can act autonomously  o Or can be controlled by the CNS through the autonomic division of the PNS  NEURONS  :  • Functional units of the nervous system Neurons make up about 10% of the cells in the central nervous system. The other cells are glial cells  (neuroglia). The majority of the neurons are interneurons, and some of these interneurons receive synaptic input  from as many as 100,000 other neurons. The importance of this will become more apparent as you study this unit. Figure 8­2 shows the basic structure of a neuron. In figure 8­4 you can see the location of organelles within  the neuron and the transport process between the cell body and axon terminal.  Neuron A nerve cell, capable of generating & transmitting electrical signals. Cell Body (Soma) Part of the cell that contains the nucleus and many organelles. Axon An extension of a neuron that carries signals to the target cell. 1 Module VI Neuron Function Dendrite Thin, branched processes that receive and transfer incoming information to an  integrating region within the neuron. Axon Hillock Region of the axon where it joins the cell body; often contains the trigger zone. Initial Segment The axon hillock and first part of an axon; often the location of the neuron’s trigger zone. Collateral Branch of an axon. Axon Terminal The distal end of a neuron where NT is released into a synapse. Synapse Region where a neuron meets its target cell. Afferent Neurons Efferent Neurons Interneurons Sensory neuron ­ Associated neuron A neuron that transmits sensory  Peripheral neuron that carries  Neuron that is completely  information to the CNS signals from CNS to target cells contained within the CNS Presynaptic Neuron Postsynaptic Neuron The neuron that delivers the signal to the synapse The cell that receives the signal GLIAL CELLS: Glial cells and their functions are found in figure 8­5. Pay particular attention to Figures 8­5 and 8­6 ­­ they  show how Schwann cells and oligodendrocytes form the myelin covering of axons. Myelin is a fatty membranous  sheath that speeds up the passage of electrical signals along the axon. • Nonexcitable support cells of the CNS o Provide physical & biochemical support for neurons • PNS has 2 types (Schwann cells & satellite cells) • CNS has 4 types (oligodendrocytes, microglia, astrocytes, ependymal cells) TYPE OF GLIAL  PNS OR CNS? FUNCTION CELL Satellite Cells PNS Support cell bodies Schwann Cells PNS Secrete neurotrophic factors Form myelin sheaths Oligodendrocytes CNS Form myelin sheaths Microglia CNS Act as scavengers Astrocytes CNS Provide substrates for ATP production 2 Module VI Neuron Function Help form the blood­brain barrier Secrete neurotrophic factors + Take up K , water & NT Source of neural stem cells Ependymal Cells CNS Source of neural stem cells Create barriers between compartments AXONAL TRANSPORT: • Movement of material between the axon terminal and the cell body • Fast or slow o Fast axonal transport has the ability to:   Move forward (anterograde) material from cell body to the axon terminal   Move backward (retrograde) material from the axon terminal to the cell body for  recycling MEMBRANE POTENTIAL: • All living cells have a resting membrane potential that results from the uneven distribution of ions across  the cell membrane • 2 factors influence membrane potential o Concentration gradients of ions across the membrane o Membrane permeability to ions • The Nernst Equation describes the membrane potential that a single ion would produce if the membrane  were only permeable to that one ion o For any one ion, this membrane potential is called the equilibrium potention (E ) of the ion Major Ions Contributing to Resting Membrane Potentials: • Major ions are Na , K  & Cl Ion Equilibrium Potential (E ion Where is Concentration Higher? K + ­ 90 mV ICF Na + + 60 mV ECF Cl­ ­ 63 mV ECF Resting membrane potentials exist due to ion concentration differences across the membrane. Table 8­2  lists the distribution of major ions for a typical nerve cell. Graded potentials and action potentials are rapid  changes in membrane potentials that function as electrical signals. Note the millisecond time course of the action  potential. Also note the changes in permeability to sodium and potassium, and observe how these changes in  permeability change the membrane potential from its resting state into the transient action potential. The  upstroke (depolarizing phase) of the action potential is caused by the movement of sodium ions into the cell when  the sodium channels open. The repolarizing phase of the action potential is caused by (i) closure of the sodium  channels, and (ii) opening of potassium channels and movement of potassium ions out of the cell. Consider the  all­or­none concept, threshold and refractory periods. Know how action potential are generated and propagated.  Finally, learn why myelin is important for nerve signal transmission. Figures 8­9, 10, 15 and 18 describe the  3 Module VI Neuron Function generation and propagation of action potentials. Figure 8­12 gives a good description of refractory periods. In  Table 8­3 you will find a comparison of graded and action potentials. Graded Potential: • Variable strength signals that travel over short distances & lose strength as they travel through the cell • Used for short­distance communication • Lose strength as they move from the point of origin through the cytoplasm due to:  o Ionic leaks o Cytoplasmic resistance Spread of Graded Potentials: • Starts above threshold at its initiation point o Decreases in strength as it travels through the body • When it reaches the trigger zone it EITHER is: o Subthreshold  ▯Graded potential is below threshold at trigger zone  ▯NO action potential o Suprathreshold  ▯Graded potential above threshold at trigger zone  ▯ACTION POTENTIAL Inhibitory Postsynaptic Potential (IPSP) Excitatory Postsynaptic Potential (EPSP) HYPERPOLARIZING graded potentials that make a  DEPOLARIZING graded potentials that make a  neuron LESS LIKELY to fire an action potential neuron MORE LIKELY to fire an action potential Action Potential: • Very brief, large depolarizations that travel for long distances through a neuron without losing strength • Used for rapid signaling over long distances • All­or­none (occur to maximum depolarization or not at all)  Na     and K     Move Across the Membrane During Action Potentials:  1. Membrane depolarizes to threshold i. Voltage gated Na  channels open  ▯Rapid Na  entry DEPOLARIZES the cell ii. K  channels begin to open slowly + + 2. Na  channe+s close & slower K  channels open i. K  moves from cell to ECF  ▯HYPERPOLARIZES the cell 3. Voltage­gated K  channels close  ▯Less K  leaks out of the cell 4. Cell returns to resting ion permeability & resting membrane potential Threshold: The minimum depolarization that will initiate an action potential in the trigger zone. Rising Phase • Due to sudden temporary increase in cell’s permeability to Na+ • Addition of positive charge to cell membrane causes depolarization  o Na  channels close once cell peaks at + 30 mV Falling Phase + • Corresponds to an increase in K  permeability +  +  • K channels fully open when Na start closing 4 Module VI Neuron Function o K  moves out of cell  ▯Cell becomes more negative causing  hyperpolarization as it reachs ­90 mV (EK) Depolarization • Decrease in the membrane potential difference of a cell +  o Addition of Na (positive charge) to cell Hyperpolarization • Membrane potential that is more negative than the resting potential o K  moves out of the cell  ▯Cell membrane becomes more negative   to ­90 mV After Hyperpolarization • AKA undershoot • When cell reaches ­90 mV Overshoot • The portion of the action potential above 0 mV Repolarization • Phase during which the depolarized membrane returns to its resting  potential Relative Refractory Period Absolute Refractory Period A period of time immediately following an action  The time required for the Na  channel gates to reset to 
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