Ch 8 - Neurons.docx

34 Pages
Unlock Document

BIOL 472
Ronald Markle

Lecture 1 – Chapter 8 01/14/2014 Two Key Physiological Control Systems Nervous System Excitability/irritability  Endocrine System Body Fluid Compartments Extracellular Fluid (Composed of both Plasma and Interstitial Fluid) : Dominance of Na+  Intracellular Fluid: Dominance of K+  Major Solutes (mmol/L) Ion Plasma (ECF) Interstitial  Intracellular  Note(s) (ECF) Fluid Na+ 135­135 140 2­15 Higher in ECF (10­12x gradient) K+ 3­5 5 150 Higher in ICF (30x gradient) Cl­ 100­108 105 10 Higher in ECF (10x gradient) Proteins &  70 Low/Near 0 190 TRAPPED Phosphate Ions ­can’t go readily into/out of  cells Ca 2+ (Free  1.2 __ 100 nm/L: Muscle contraction calcium ions) VERY low ­Some processes are  Calcium­dependent Equilibrium: permeable substances will distribute themselves around membrane in part due to other  substances that cannot cross the membrane very readily Different ions have differing membrane permeabilities K+ most permeable: major ion contributing to the RMP (resting membrane potential) GHK – Goldman­Hodgkin­Katz Equation calculates the membrane potential resulting from all ions that can  cross the membrane Resting cells: permeable to Na+, K+, Cl­ Nervous System CNS: Central Nervous System Brain and Spinal Cord PNS: Peripheral Nervous System All other components Division:  1. Afferent (Sensory): into  the CNS a. Somatic Afferent Nerve Pathways Tendons, bones, muscles – Positional information b. Visceral Afferent Nerve Pathways Thoracic and Abdominal Organs – ex. Throw up bad food 2. Efferent: out  of the CNS a. Somatic Efferent Controlling movements – Voluntary Functions – skeletal muscles b. Autonomic: Visceral Efferent To all the organ systems – Involuntary Functions Smooth and cardiac muscles, exocrine glands, endocrine glands, adipose tissue Divide into Sympathetic and Parasympathetic Divisions 3. Enteric: network of neurons in the walls of the digestive tract Cells Nobel Prize for work in structure of the nervous system Camillo Golgi – tissue staining techniques “Golgi Stain” – silver stain Santiago Ramon y Cajal Corticol cells Nervous system: neurons and glial cells (support) Neurons are classified by functions:  1. Sensory (afferent) • Peripheral sensory neurons are pseudounipolar – very long axons/dendrites • Small and bipolar in the nose and eye 2. Interneurons • Neurons that lie entirely within the CNS • Interconnecting Neurons • Branching – communicate with other neurons 3. Efferent (somatic motor and autonomic) • Enlarged axon terminals • Autonomic neurons have enlarged regions along the axon: varicosities Nerves: afferent and efferent peripheral neurons bundled together with connective tissue Sensory nerves – only afferent signals Motor nerves ­ only efferent signals Mixed nerves ­ both directions Neurons – functional unit of nervous system Three Traits 1. Excitability – resting potential, can generate action potential: Change of  membrane electrical potential 2. Conductivity – of electrical behaviors –  over long distances 3. Secretion  a. Neurotransmitters (chemical ligand) – 1 Primary b. Neuromodulators – added tone; modify local environment c. Growth Factors Structure of Neurons Cell Body – Soma Contains the Axon Hillock (Trigger Zone) Dendrites – extensions from the soma  Receive incoming signals Dendritic spines Axon Terminals Axolemma: Membrane of the axon Carry outgoing information Have a mitochondria and vesicles filled with neurocrine  molecules Anterograde Transport: From Soma to the Axon Terminals Retrograde Transport: From Axon Terminals back to the Soma Nerve growth factors and some viruses Synapse: where cell communicates to the next cell Both Electrical and Chemical Synaptic Cleft Presynaptic axon terminal to Postsynaptic Dendrite Axons send out special growth cones that extends until they find target cell Once axon reaches target cell, a synapse forms Must be followed by electrical or chemical activity Glial Cells Outnumber neurons 4 Types in CNS 1. Oligodendrocytes Multiple extensions off cell: one oligodendrocyte forms myelin around several axons Form myelin sheaths 2. Microglia Really small and motile Scavenger function Modified immune cells Can remove damages cells and foreign invaders Also release damaging species that form free radicals ALS – Lou Gehrig’s disease 3. Astrocytes Take up and release chemicals in synapses Homeostatic Balance in CNS ECF Take up K+, water, neurotransmitters Regulatory functions Half of all cells in brain Communicate through gap junctions Terminals surround blood vessels Part of blood­brain barrier that regulates movement between blood and ECF 4. Ependymal Cells Lining for all fluid filled spaces in brain and spinal cord Selectively permeable epithelial layer: ependymal that separates the fluid compartments of the CNS Source of neural stem cells 2 Types in PNS 1. Schwann Cells Form Myelin Sheath One Schwann cell associates with one axon Tiny gaps between the myelin sheath: Nodes of Ranvier Secrete neurotrophic factors Keep cell body alive and stimulate regrowth of axon 2. Satellite Cells Support cell bodies around nerve cells in ganglia Nonmyelinating Schwann cell Associated with peripheral ganglia Ganglion: collection of nerve cell bodies found outside the CNS In spinal cord – Dorsal root ganglia – need satellite cells to physically support them & contribute to local  ionic balance Peripheral Neuron Injury Section of axon attached to cell body continues to live Unconnected section of axon disintegrates Lecture 2 01/14/2014 Resting Membrane Potential (RMP) Determined by particular traits of the membrane of the cell  Permeability of that membrane to different electrolytes Na+ greater outside cell, K+ greater inside cell At rest:  1. Very low permeability to Na+ 2. Very high permeability (Leaky) to K+ : Potassium Leak Channel 3. Na+/K+ ATPase Pump • Uses energy to: 3 Na+ out, 2 K+ in 4. Proteins & Large Anions – contribute to how the diffusible ions will distribute themselves  across the membrane Four major types of selective ion channels: Na+ channel, K+ channel, Ca(2+) channel, Cl­ channel Hodgkin & Huxley: worked with giant squid axons – work on action potentials ­70 mV: the charge inside the cell compared to outside Depolarization: inside of cell becoming less negative Lecture 2 01/14/2014 Decrease of the transmembrane potential Decrease distance from isoelectronic level Excitatory Repolarization: inside of cell returning to resting membrane potential Increase of the transmembrane potential Hyperpolarization Inhibitory Threshold Level: has to be attained through depolarization for the other electrical gates to open If threshold level is not attained, then nothing happens Excitability: ability of neuron to respond to stimulus and fire and action potential Types of Stimuli Chemical Stimuli Act on the neuron via ligand­gated channels Bioelectrical Stimuli Voltage­gated channels (proteins) A local voltage change of transmembrane potential Mechanically­Gated Stimuli Respond to: Stretch, Pressure, Sound Energy Rate of change is important Lecture 2 01/14/2014 Graph: Strength of Stimuli vs. Duration Strong stimulus, short duration Weak stimulus, long duration When JUST RIGHT: can reach the threshold; enough strength and duration Graded vs Action Potentials Graded Potentials (Table 8.3) Occurs in usually dendrites and cell body All three types of channels Na+, Cl­, Ca(2+) Both depolarizing or hyperpolarizing Entry of ions through gated cannels No minimum level required to initiate 1. Strongest – greatest change – at the point of stimulus At that point, the magnitude of change in potential is proportional to the strength of the stimulus 2. Decremental over distance Potentials decrease in strength as they spread out from the point of origin “Decays” Due to current leak and cytoplasm resistance 3. If Agent Reduces Resting Potential (Depolarizes) – Excitatory Action: +  Charges going in Lecture 2 01/14/2014 If agent raises resting potential (Repolarizes) – Inhibitory Action: ­ Charges going in Local Current Flow: wave of depolarization that flows though the cell Action Potentials: very brief, large depolarizations that travel for long distances through a neuron without  losing strength All or none phenomenon – threshold Na+ and K+ Trigger zone (axon hillock) though axon Refractory period: two signals too close together in time cannot sum Triggered by above­threshold graded potential Action Potential at Hillock High density of voltage gated Na+ channels Typical threshold level: ­55 mV Depolarization  Action Potential created – firing off (Rapid Na+ influx) Opening of voltage gated Na+ channels – membrane more permeable to Na+ +30mV: Spike in potential – 1 mS – 1 millisecond Then Repolarization Na+ channels close and voltage gated K+ channels open K+ efflux Lecture 2 01/14/2014 Increase in K+ permeability ­90mV: Hyperpolarization undershoot – even more negative than regular resting membrane potential After Hyperpolarization  Slow voltage gated K+ channels close return to resting membrane potential: ­70mV Na+/K+ pump Conduction: high speed movement of action potential along the axon One action potential doesn’t alter ion concentration gradients Relative Na+ and K+ concentrations inside and outside the cell remain essentially uncharged What’s Happening Voltage­Gated Na+ Channel 3 Conformations 2 Functional Gates (Activation Gate and Inactivation Gate) Closed Channel Activation Gate closed, Inactivation Gate open when membrane is at rest CAN be activated Open Channel Activation Gate and Inactivation Gate both open Due to voltage change: depolarizing stimulus Na+ moves into the cell Inactive Channel Activation Gate open, Inactivation Gate closed Right after action potential reaches +30mV Lecture 3 01/14/2014 Lecture 3 01/14/2014 Action Potentials Two currents: Na+ and K+  If adequate stimulus, at the axon hillock:  voltage change imparted by stimulus will bring about fast Na+ channel changes, and a delayed K+ channel both get signal at the same time, but Na+ is much faster than K+ Uplimb of the spike: due to the Na+ influx K+ channel At rest: closed conformation When stimulus (voltage change): open conformation Potassium conductance is largely responsible for bringing action potential back down Even to the hyperpolarization region Figure 8­9, 8­12 Na+/K+ pump restores membrane potential to 70mV Refractoriness Insensitivity to a second stimulus Absolute Refractory Period: Inactivated Na+ channels have an excitability of zero, until it gets back to the  closed conformation Due to the changes of the Na+ channel Lecture 3 01/14/2014 Relative Refractory Period: excitability increases Na+ channels resetting Enough channels have reset that a strong enough stimulus will cause the cell to fire again Occurs after the Absolute Refractory Period Propagation of Action Potential (8­8, 8­14) From the trigger zone  Lateral, Local Current flow Right on surface of the membrane, move laterally Unidirectional – one way conduction of the action potential from the hillock Can’t move back because the fast Na+ channels are in the absolute refractory period – ensures  unidirectionality Anterograde direction of movement: soma to axon terminals NOT Retrograde (terminals to soma: cell body) At axon hillock: like a set of dominos Action Potentials: Four Traits to Know 1. If a stimulus is subthreshhold, but no action potential Accommodation (membrane has physically accommodated the stimulus) 2. If there is an action potential, its magnitude/amplitude is the same along the entire surface of  the membrane Magnitude is constant from the hillock to the terminals Lecture 3 01/14/2014 Not graded Strength constant 3. Action Potential either fires or not “All or None Law” 4. Refractoriness (Insensitiveness) Without Action Potential, Absolute, Relative Action Potential Velocity Depends On (8­16): Axon diameter Larger – faster action potential, because the lower the resistance to the flow Resistance of axon membrane to ion leakage out of the cell The more leak resistant the membrane, the faster the action poten
More Less

Related notes for BIOL 472

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.