معلومة

ما الفرق بين الخلايا العصبية ذات البوابات ذات الجهد الكهربائي والرابط؟

ما الفرق بين الخلايا العصبية ذات البوابات ذات الجهد الكهربائي والرابط؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

كيف هم متشابهون وكيف هم مختلفون؟


لا يوجد شيء مثل الخلايا العصبية ذات البوابات ذات الجهد الكهربائي أو المرتبط بالبوابة. أعتقد أن ما تشير إليه هو ما يعرف بالقنوات الأيونية الموصلة بالجهد والبوابة. يحتوي كل خلية عصبية على كلا النوعين من القنوات في غشاء الخلية.

تفتح القنوات الأيونية ذات الجهد الكهربي استجابةً للجهد (أي عندما تصبح الخلية غير مستقطبة) حيث يتم فتح قنوات بوابات ليجند استجابةً لربط (بعض الإشارات الكيميائية) بها.

كلا النوعين من القنوات مهمان للتنشيط السليم للخلايا العصبية اللاحقة للتشابك. تطلق الخلايا العصبية قبل المشبكي نواقل عصبية في الشق المشبكي ، ثم ترتبط هذه الناقلات العصبية بالقنوات المحاطة بالرابط ، وبالتالي تنشطها. تنفتح القنوات ذات البوابات الرابطة وتسمح بتدفق الصوديوم ، مما يؤدي إلى إزالة استقطاب الخلية. يؤدي نزع الاستقطاب هذا إلى تنشيط القنوات الأيونية ذات الجهد الكهربائي المجاورة ، والتي تنفتح وتسمح بدخول المزيد من الصوديوم. تفتح قنوات الصوديوم ذات الجهد الكهربائي منطقة واحدة في كل مرة ، وتوفر المنطقة السابقة استقطابًا كافيًا لتنشيط القنوات ذات الجهد الكهربائي في المناطق التالية. هذا يسمح بفعالية لإمكانية العمل بالانتشار عبر الخلية.


4.3: كيف تتواصل الخلايا العصبية

  • بمساهمة من OpenStax
  • علم الأحياء العام في OpenStax CNX
  • صف أساس إمكانات غشاء الراحة
  • اشرح مراحل جهد الفعل وكيف يتم نشر إمكانات الفعل
  • اشرح أوجه التشابه والاختلاف بين المشابك الكيميائية والكهربائية
  • وصف التقوية طويلة المدى والاكتئاب طويل الأمد

جميع الوظائف التي يؤديها الجهاز العصبي و [مدش] من رد فعل حركي بسيط إلى وظائف أكثر تقدمًا مثل صنع الذاكرة أو اتخاذ قرار و mdashrequire الخلايا العصبية للتواصل مع بعضها البعض. بينما يستخدم البشر الكلمات ولغة الجسد للتواصل ، تستخدم الخلايا العصبية إشارات كهربائية وكيميائية. تمامًا مثل أي شخص في اللجنة ، عادةً ما تتلقى خلية عصبية واحدة وتوليف الرسائل من عدة خلايا عصبية أخرى قبل اتخاذ القرار & rdquo لإرسال الرسالة إلى الخلايا العصبية الأخرى.


دليل الدراسة للاختبار 3 (إتقان A & ampP)

أي جزء من الجهاز العصبي يقوم بمعالجة المعلومات وتكاملها؟

أ- الجهاز العصبي المركزي
ب- الجهاز العصبي الجسدي
جيم الجهاز العصبي السمبتاوي
د- الجهاز العصبي الودي

أي مما يلي لا يمثل فرقًا بين الإمكانات المتدرجة وإمكانات الفعل؟

أ. يستخدم الجمع المكاني لزيادة اتساع مجموع زمني محتمل متدرج يستخدم لزيادة سعة جهد الفعل.
ب. يمكن أن تنتج الإمكانات المتدرجة عن فتح قنوات ذات بوابات كيميائية ، وتتطلب إمكانات عمل القنوات ذات البوابات فتح قنوات ذات جهد كهربائي.
جيم - تؤدي كثافة التحفيز الأكبر إلى إمكانات متدرجة أكبر ، ولكن ليس إمكانات عمل أكبر.
د- تحدث الجهود المتدرجة على طول التشعبات ، بينما تحدث جهود الفعل على طول المحاور.

أي مما يلي هو العامل الذي يحدد معدل انتشار النبضة ، أو سرعة التوصيل ، على طول محور عصبي؟

أ. درجة تكوّن النخاع في المحور العصبي
طول المحور العصبي
C. عدد الضمانات المحورية الممتدة من محور عصبي مقطوع
D. ما إذا كان المحور العصبي يقع في الجهاز العصبي المركزي أو في الجهاز العصبي المحيطي

في أي نقطة من إمكانات الفعل الموضحة يتم فتح قنوات Na + الأكثر أبوابًا؟

ما نوع التحفيز المطلوب لتوليد إمكانية العمل؟

أ. فرط الاستقطاب
عتبة مستوى إزالة الاستقطاب
ج- حافز عالى المستوى
محفزات متعددة

كيف يتم نشر جهد الفعل على طول محور عصبي؟

A. المنبهات من الجهود المتدرجة (المحلية) من سوما والتشعبات تزيل استقطاب محور عصبي بأكمله.
ب. يؤدي تدفق أيونات الصوديوم من جهد الفعل الحالي إلى إزالة استقطاب المنطقة المجاورة.
ج. يؤدي تدفق البوتاسيوم من جهد الفعل الحالي إلى إزالة استقطاب المنطقة المجاورة.

لماذا يتحرك جهد الفعل بعيدًا عن جسم الخلية فقط؟

أ. المناطق التي لديها إمكانات الفعل هي مقاومة لإمكانية عمل جديدة.
ب. إن تدفق أيونات الصوديوم يذهب في اتجاه واحد فقط ويخرج من جسم الخلية

سرعة جهد الفعل هي الأسرع في أي من المحاور التالية؟

أ. محوار صغير غير مخاطي
ب. محور عصبي صغير من النخاع
جيم محور عصبي كبير غير مفلت

أي من العبارات التالية يصف بدقة أكبر التأثيرات الناتجة عن ارتباط الترابط الموضح بالبنية المسمى C؟

A. يتم نقل يجند إلى الخلايا العصبية بعد المشبكي.
B. يتم نقل يجند إلى الخلايا العصبية قبل المشبكي.
C. يتغير غشاء الغشاء قبل المشبكي.
د- يتغير غشاء الغشاء بعد المشبكي.

أي نمط من المعالجة العصبية يعمل بطريقة يمكن التنبؤ بها ، إما كل شيء أو لا شيء ، حيث تكون ردود الفعل عبارة عن استجابات سريعة وتلقائية
للمنبهات التي يتسبب فيها منبه معين دائمًا في نفس الاستجابة؟

أ- المعالجة التذبذبية
ب. المعالجة المتوازية
C. المعالجة التسلسلية
D. المعالجة الانعكاسية

أي من مناطق الدماغ التالية مسؤولة عن التمييز المكاني؟

A. القشرة الحسية الجسدية الأولية
القشرة الدهليزية
منطقة C. Broca
د القشرة الذوقية

أي من مناطق الدماغ التالية تتحكم في الحركة الإرادية للعين؟

ألف القشرة الذوقية
مجال العين الجبهي
منطقة الارتباط المرئي
د- القشرة البصرية الأولية

أي مما يلي ليس دالة في منطقة ما تحت المهاد؟

أ. الاستجابات العاطفية
ب- تنظيم تناول الطعام
C. إفراز هرمون الميلاتونين
د- تنظيم درجة حرارة الجسم

أي أجزاء من الدماغ تشكل "الدماغ العاطفي" المعروف باسم الجهاز الحوفي؟

أ. الهياكل العظمية والدماغية
ب- الهياكل الدماغية وجذع الدماغ
C. الهياكل الدماغية و diencephalic
د- تراكيب الدماغ وجذع الدماغ

أي جزء من الدماغ يعتبر "بوابة" للقشرة الدماغية؟

ألف بونس
ب. الوطاء
جيم - الدماغ المتوسط
D. المهاد

يمنع تمدد العضلات ويحافظ على تماسكها.

امتداد
باء أخمصي
C. الباسطة المتقاطعة
D. Flexor
إي وتر

يختبر كلا من المسارات الحركية العلوية والسفلية. يتم تحفيز نعل القدم بأداة مملة.

أ. الباسطة المتقاطعة
B. تمتد
C. Flexor
D. بلانتار
إي وتر

يؤدي إلى انسحاب سريع لجزء من الجسم من حافز مؤلم مماثل.

امتداد
باء أخمصي
C. Flexor
D. وتر
E. عبر الباسطة

يتكون من رد فعل انسحاب مماثل وردود باسطة مقابلة مهمة في الحفاظ على التوازن.

أ. Flexor
B. تمتد
C. الباسطة المتقاطعة
D. بلانتار
إي وتر

ينتج عنه ارتخاء وإطالة للعضلات استجابة لشد العضلة المتقلصة
يرتاح عندما يتم تنشيط خصمه.


A. أخمصي
B. الباسطة المتقاطعة
C. تمتد
D. وتر
E. Flexor

تعمل إفرازات النخاع الكظري لتكملة تأثيرات ________.

أ. تعصيب السمبتاوي
نشاط العصب المبهم
مواد إفراز الأعصاب
التحفيز الودي

العقدة الباراسمبثاوية التي تخدم العين هي ________.

A. العقدة الهدبية
B. العقدة تحت الفك السفلي
جيم العقدة الأذنية
د. العقدة الجناحية

تشمل التأثيرات القلبية الوعائية للقسم السمبثاوي الكل ما عدا ________.

أ- تمدد الأوعية الدموية التي تخدم عضلات الهيكل العظمي
ب- انقباض معظم الأوعية الدموية
ج- زيادة معدل ضربات القلب وقوتها
د- تمدد الأوعية الدموية التي تخدم الجلد والأحشاء الهضمية

الأعصاب المتعاطفة قد تترك الحبل الشوكي عند أي فقرة؟

أول العصعص
ب- عنق الرحم الثاني
جيم الصدري الأول
ثالثا قطني

الألياف السمبتاوي للأعصاب ________ تعصب العضلات الملساء للعين مما يتسبب في انتفاخ العدسات لاستيعاب الرؤية القريبة.

A. يخطف
B. محرك للعين
C. trochlear
د. البصريات

تختلف أقواس الانعكاس الحشوي عن الجسدية في ذلك ________.

تحتوي الأقواس الحشوية على نوعين من الخلايا العصبية الحسية
تحتوي الأقواس الجسدية على مكون إضافي واحد لا تمتلكه الأقواس الحشوية
تتضمن الأقواس الحشوية نوعين من الخلايا العصبية الحركية
D. لا تستخدم الأقواس الحشوية مراكز التكامل

بمجرد أن يصل المحور العصبي الودي قبل العقدة إلى العقدة الجذعية ، يمكنه فعل كل شيء ما عدا أي واحد مما يلي؟

يمر عبر العقدة الجذعية دون التشابك مع عصبون آخر
B. المشبك مع العصبون السمبتاوي في نفس عقدة الجذع
C. يصعد أو ينزل من الجذع للتشابك في عقدة جذع أخرى
D. synapase مع عصبون عقدي في نفس عقدة الجذع

يسبب تحفيز الانقسام الودي ________.

أ. زيادة نسبة السكر في الدم ، وانخفاض تمعج الجهاز الهضمي ، وزيادة معدل ضربات القلب وضغط الدم
انخفاض نسبة الجلوكوز في الدم ، وزيادة التمعج المعدي المعوي ، وزيادة معدل ضربات القلب وضغط الدم
زيادة نسبة الجلوكوز في الدم ، وزيادة التمعج المعدي المعوي ، وانخفاض معدل ضربات القلب وضغط الدم
انخفاض نسبة الجلوكوز في الدم ، وزيادة التمعج الهضمي ، وانخفاض معدل ضربات القلب وضغط الدم

مسار التدفق الرئيسي لا السمبثاوي من الرأس هو عبر ________.

A. العصب المبهم
B. العصب الحجابي
ج- جذع متعاطف
د- العصب العجزي

أين لا تجد مستقبل النيكوتين الكوليني؟

A. جميع الأجهزة المستهدفة السمبتاوي
B. جميع الخلايا العصبية postganglionic
لوحات نهاية المحرك الهيكل العظمي العضلي
الخلايا المنتجة للهرمون اللب الكظري

التحكم في درجة الحرارة ونشاط الغدد الصماء والعطش هي وظائف مرتبطة بـ ________.

A. المخيخ
المهاد
C. الوطاء
النخاع

نغمة السمبتاوي ________.

A. يسبب ارتفاع ضغط الدم
B. يسرع نشاط الجهاز الهضمي
جيم يمنع تباطؤ القلب غير الضروري
د- يحدد النشاط الطبيعي للمسالك البولية

أي مما يلي يبدو أنه يمارس تأثيرًا مباشرًا على الوظيفة اللاإرادية؟

A. النخاع المستطيل
ب. الوطاء
تشكيل شبكي
D. الدماغ المتوسط

ما هي وظيفة التعاطف الفريدة؟

أ- تنظيم درجة حرارة الجسم
تنظيم حجم التلميذ
ج- تنظيم معدل التنفس
د- تنظيم معدل ضربات القلب

أيٌّ من مستقبلات الناقل العصبي الأدرينالية التالية يلعب دورًا رئيسيًا في نشاط القلب؟


تصميم واختبار الشرائح العصبية

تصف هذه الصفحة كيف نصمم ونختبر الشرائح العصبية ، بدءًا من تحليل البيانات البيولوجية العصبية ، ثم تطوير نموذج الخلايا العصبية ، متبوعًا بتخطيط رقاقة متعددة الخلايا العصبية للتصنيع ، وأخيراً اختبار الرقاقة. سواء كانت نمذجة هجرة المحاور ، أو تصفية القوقعة ، أو نوى المهاد ، فإن التفسير الدقيق للبيانات العصبية الحيوية أمر ضروري. في كل حالة من هذه الحالات ، يتم الحصول على البيانات باستخدام تقنيات تجريبية مختلفة & # 8212 مجهر فلورسينس المنقضي بالوقت ، أو قياس التداخل بالليزر ، أو مشبك التصحيح & # 8212 مع خصائصها الخاصة. من المهم تفسير التفاصيل الدقيقة للتجارب الفردية بعناية ، مع تقييم كل من الأدلة الداعمة والمتناقضة ، والتي يبدو أنها موجودة لكل تأكيد في علم الأحياء. نقوم بتطوير هذه المهارة من خلال الدورات الدراسية لعلم الأعصاب ، والتناوب في مختبرات علم الأحياء العصبية ، والقراءة النقدية للأدبيات.

كيف تعمل الخلايا العصبية

تُعزى الخصائص الكهربائية للخلايا العصبية إلى انتشار الأيونات المختلفة عبر غشاء الخلية السعوية عبر مسام البروتين الانتقائية. تأتي هذه القنوات الأيونية في تنوع واسع وهي انتقائية للغاية لأنواع أيونات معينة (تصل إلى واحد في المليون) ، مع الموصلية التي يتم تعديلها بواسطة جوانب البيئة المحلية مثل جهد الغشاء ، وتركيز الترابط ، أو التغيير الأنزيمي. تقوم المضخات المختلفة بإعداد تدرجات من أيونات معينة عبر الغشاء والتي تخلق في النهاية جهدًا سالبًا للغشاء يستريح يبلغ حوالي & ndash70mV (نسبة إلى السائل خارج الخلية) لمعظم الخلايا العصبية.

يؤثر السلوك الكهربائي للخلايا العصبية على سلوك الخلايا العصبية الأخرى من خلال عمل القنوات الأيونية المترابطة. يتم تحرير الليجند ، أو الناقل العصبي ، عند المشبك ، وهو الوصلة التي تشكلت بين سلك إخراج خلية عصبية ، أو محوار ، وسلك إدخال آخر ، أو تغصن. نتيجة لذلك ، تتدفق أيونات معينة إلى أو خارج الخلايا العصبية ما بعد المشبكي (المستقبلة) ، مما يتسبب في إزالة استقطاب جهد الغشاء (الاقتراب من 0 مللي فولت) أو فرط الاستقطاب (يصبح أكثر سلبية).

عندما ترفع التيارات المشبكية جهد غشاء العصبون إلى أعلى من العتبة اللازمة لتفعيل قنوات الصوديوم الحساسة للجهد ، فإنه يفرغ نبضة جهد. يحدث الانتعاش عندما تتدفق أيونات الصوديوم إلى الخلية ، مما يؤدي إلى زيادة الاستقطاب. هذه التغذية الراجعة الإيجابية تدفع الجهد على طول الطريق إلى السكة. يحدث التذبذب الهابط عندما يتم تعطيل قنوات الصوديوم وتنشيط قنوات البوتاسيوم الموصلة (في الاتجاه المعاكس) بشكل أبطأ. النبضة بأكملها ، التي تسمى جهد الفعل ، تنتشر في أقل من جزء من الثانية.

تنتقل إمكانات الفعل إلى أسفل محور العصبون ، مما يؤدي إلى إطلاق ناقل عصبي عند أطرافه ، وبالتالي تقديم مدخلات متشابكة للخلايا العصبية المستهدفة ، والتي بدورها تولد المزيد من إمكانات الفعل.

نمذجة الخلايا العصبية مع الترانزستورات

تم اقتراح نماذج تحليلية تصف سلوك القنوات الأيونية وتأثيراتها الكهربائية على الخلايا العصبية منذ منتصف عام 1900 و rsquos. مصدر البيانات السائد لهذه النماذج هو مشبك التصحيح ، والذي يقيس علاقات I-V (الجهد الحالي) والتغيرات في تيارات القناة أو جهد الغشاء بمرور الوقت. في نمذجة الخلايا العصبية في مختبرنا ، نقوم بتقييم دقيق لمساهمات القنوات المختلفة في جهد غشاء الخلايا العصبية و rsquos ، وأفضل طريقة لالتقاط سلوكها باستخدام الترانزستورات والمكثفات.

يمكن تلخيص وظيفة الخلايا العصبية و rsquos في خطوتين: الأولى ، تكامل المدخلات المشبكية التي تؤدي إلى إزالة الاستقطاب من الغشاء. ثانيًا ، بدء جهد فعل ينتشر في المحطات الطرفية العصبية و rsquos. تسمى هذه النماذج العصبية دمج واطلاق النار عارضات ازياء. هذا هو أبسط نموذج مستخدم ، سواء في البرامج أو في الأجهزة. في هذا القسم ، نصف تصميم وتحليل الخلايا العصبية القائمة على التكامل والنار على مستوى الدائرة.

تجسد الدائرة المكونة من ستة ترانزستور الموضحة أعلاه الخصائص الأولية لنماذج الخلايا العصبية السيليكونية الخاصة بنا. إنها تتسرب من الاندماج والنار الخلايا العصبية ، نسخة مجردة من ما نستخدمه في المختبر. وتتكون من سعة غشاء (مركز) يتم تزويد تيار الإدخال بها (Iin) ، وحلقة تغذية مرتدة موجبة لتوصيل تيار الصوديوم إلى جهد الغشاء (Ina) ، وتيار تسرب لإعادة الغشاء إلى إمكاناته في الراحة عند إعادة التعيين .

تعمل الترانزستورات في هذه الدائرة في نظام العتبة الفرعية ، حيث يعتمد تيار القناة بشكل كبير على الفولتية الطرفية. تم تحديد المحطات واتجاه التدفق الحالي في الصورة أدناه لاحظ أن بوابة pMOS لها دائرة (يسار) بينما بوابة nMOS ليست (يمين). بالنسبة إلى ترانزستور nMOS ، يكون جهد المصدر (Vs) منخفضًا (غالبًا صفر ، أو أرضي). مع زيادة جهد البوابة (Vg) (من الصفر) ، يزداد التيار المتدفق من الصرف إلى المصدر بشكل كبير. ترانزستورات pMOS لها قطبية معاكسة: Vs مرتفعة بشكل عام (غالبًا عند Vdd ، أعلى جهد على الشريحة) ، ومع انخفاض Vg (من Vdd) ، يزداد التيار أضعافًا مضاعفة.

رياضيا ، العلاقات الحالية & # 8211 الجهد للترانزستورات pMOS و nMOS موصوفة من قبل:
المعرفات = (w / l) * I0 * exp [(kVg - Vs) / uT)] لـ pMOS
Isd = (w / l) * I0 * exp [- (kVg - Vs) / uT)] لـ nMOS
حيث w و l هما عرض القناة وطولها ، على التوالي ، I0 هو تيار إيقاف التشغيل و uT هو الجهد الحراري (25mV عند درجة حرارة الغرفة). تنطبق هذه المعادلات فقط عندما يتجاوز الاختلاف في الجهد بين المصدر والصرف 100 مللي فولت ، وهي حالة تُعرف باسم التشبع.

سنفترض أن العصبون في البداية في حالة راحة. هذا يعني أن جهد الغشاء (Vmem) هو صفر (أرضي) وأن جهد الدخل (Vinput) هو صفر ، وبالتالي فإن تيار الإدخال (Iin) هو صفر. في هذه الحالة ، يكون جهد الخرج (Vout) مرتفعًا (عند Vref). هذا نتيجة لكون Vmem صفرًا ، مما يقطع ترانزستور nMOS الأيمن السفلي ويقطع ترانزستور pMOS فوقه مباشرةً ، وبالتالي عزل Vout عن الأرض أثناء ربطه بـ Vref.

لإثارة العصبون ، يزداد الجهد (Vinput) من صفر إلى بضع مئات من الميليفولت ، مما يتسبب في تشغيل Iin وشحن مكثف الغشاء ، وبالتالي زيادة Vmem. مع زيادة Vmem ، يبدأ nMOS الأيمن السفلي في التصرف بينما لا يزال pMOS فوقه موصلًا (وإن كان أقل مما كان عليه من قبل). وبالتالي يتم إنشاء مسار لتدفق التيار إلى المرآة الحالية (ترانزستورات pMOS المسمى على هذا النحو) ، والتي تعكس هذا التيار على مكثف الغشاء (Ina). وبالتالي يزيد Vmem بشكل أكبر ، مما يؤدي إلى تكرار العمل التجديدي لقناة الصوديوم.

أعلاه هي نتائج المحاكاة التي تم الحصول عليها لهذه الخلايا العصبية البسيطة ، والتي تعرض السلوك الموصوف. يتم عرض تيارات المدخلات والصوديوم (أعلى، أرجواني وأخضر على التوالي) تيار الإدخال الثابت صغير جدًا (picoAmps) بحيث يظهر كصفر على مقياس microAmp. يظهر الغشاء والجهد الناتج (قاع، أرجواني وأخضر ، على التوالي) يلاحظ المرء زيادة بطيئة وثابتة في جهد الغشاء حيث يتكامل تيار الإدخال على مكثف الغشاء. يتم الوصول إلى العتبة بحدود 3 ميكروثانية في طفرات Ina مما يؤدي إلى زيادة حادة في جهد الغشاء.

يختتم هذا الوصف الموجز لكيفية نمذجة خلية عصبية تكامل وإطلاق النار باستخدام ترانزستورات ومكثف. في الماضي ، كان هذا المكون فريدًا بشكل عام لكل شريحة مصممة ، حيث يتم استخدام مجموعات قنوات مختلفة لنمذجة عمليات وأنواع عصبية مختلفة. الآن وقد طورنا دائرة متعددة الاستخدامات بما يكفي لنمذجة مجموعة متنوعة من أنواع القنوات الأيونية ، لم يعد هذا هو الحال. ومع ذلك ، فإن خلية عصبية واحدة في حد ذاتها غير كافية لدراسة ديناميكيات السكان في الدوائر العصبية. هنا يأتي دور جمال VLSI. يتم تحويل دائرة الخلايا العصبية إلى مجموعة من الخلايا العصبية السليكونية من خلال خطوة التخطيط الموضحة أدناه.

وضع الدائرة

بمجرد تصميم الدائرة ومحاكاتها ، يجب وضع الدائرة قبل تصنيعها. يشير التخطيط إلى رسم الطبقات التي سيتم تصنيعها باستخدام محرر تخطيط ، وهو برنامج رسم بميزات محددة للدائرة المتكاملة (نستخدم L-Edit بواسطة أدوات Tanner).

نعرض تخطيط اثنين من الترانزستورات (واحد nMOS وواحد pMOS) ومكثف في الشكل أدناه موصوفة بأطرافهم. البوابة حمراء والصرف / المصدر أخضر تقاطعهما (القناة) أصفر. يحدد المستطيلان البني والأزرق تعاطي المنشطات في مناطق التصريف / المصدر ، وبالتالي تحديد الترانزستورات من النوع n و p ، على التوالي. يحدد نمط النقط الأخضر منطقة n مخدرة قليلاً ، تسمى البئر ، والتي يقع فيها الترانزستور pMOS (أعلى اليسار). ما تبقى من منطقة السيليكون ، التي تسمى الركيزة ، هي مخدر بشكل طفيف ، بشكل افتراضي. أخيرًا ، المناطق السماوية عبارة عن جهات اتصال معدنية يتم إجراؤها على المحطات.

المكثف (على اليمين) عبارة عن ترانزستور به طرف صرف / مصدر مفقود وبوابة كبيرة. تخلق المنطقة الإضافية n-doped المتاخمة لمنطقة المصدر / الصرف اتصالًا أوميًا بالبئر (نمط التنقيط الأخضر). وبالمثل ، يمكن أن يستخدم ترانزستور nMOS منطقة p-doped لإنشاء جهة اتصال ركيزة.

نعرض تخطيط الخلايا العصبية المدمجة وإطلاق النار أدناه. الأسلاك المعدنية زرقاء. تم تصنيف عدة عقد من الدائرة: Vmem و Vdd و Gnd و Vinput و Vleak. هذا تخطيط بسيط للغاية. معظم التخطيطات أكثر تعقيدًا.

يجب تكريس الوقت والجهد لوضع كل ترانزستور ومكثف وسلك بعناية من أجل تحقيق التوازن الصحيح بين الكثافة والدقة. يجب أن تكون الترانزستورات بحجم مناسب لمكافحة التقلبات العشوائية في الإشابات (عدم التطابق) وتيارات التسرب. تحتوي الترانزستورات الأكبر حجمًا على عدم تطابق أقل وأقل تسريبًا ، ولكنها تشغل مساحة أكبر بكثير ، مما يحد من عدد الخلايا العصبية التي يمكن تصنيعها على شريحة واحدة. من ناحية أخرى ، كلما تم ضغط الترانزستورات معًا بإحكام ، كلما كان من الصعب ربطها ببعضها البعض. أيضًا ، عندما تصبح الدوائر أكثر إحكاما ، فإن القرب من الدوائر الرقمية يقرن الضوضاء في الدوائر التناظرية.

بعد وضع دائرة الخلايا العصبية ، يتم تجانبها في مصفوفة وتتفاعل مع الدوائر الرقمية غير المتزامنة الطرفية ، والتي تنفذ بروتوكول اتصال قياسي لتوصيل إمكانات العمل (أو المسامير). يتم ذلك باستخدام ChipGen ، رمز تم تطويره داخليًا على مدار السنوات العديدة الماضية. ثم يتم التحقق من تخطيط الشريحة بأكملها مقابل التخطيطي والتحقق من انتهاكات قواعد التصميم. أخيرًا ، يتم تصدير طبقات القناع وإرسالها بالبريد الإلكتروني إلى خدمة التصنيع. نحن نستخدم MOSIS ، وسيط السيليكون الذي يمكّن من تصنيع المشاريع التعليمية والتجارية على عمليات تشغيل مشتركة في أحدث الصناعات الجاهزة مثل TSMC.

اختبار الشريحة

بمجرد تصنيع الشريحة وتسليمها ، تبدأ المتعة الحقيقية! الاختبار هو عملية خطوة بخطوة تبدأ على مستوى الدائرة وتنتهي (هل تنتهي أبدًا؟) على مستوى النظام. عملية التصنيع بعيدة عن الكمال ولا توجد نسختان من الدائرة متطابقة & # 8212 على الرغم من استخدامهما نفس التصميم. يمكن أن يؤدي عدم تطابق الترانزستور وتيارات التسرب والعناصر الطفيلية (مثل السعات) إلى إحداث فوضى في التصميم السيئ. بالإضافة إلى ذلك ، فشلت عمليات المحاكاة في حساب الضوضاء التي يتم إدخالها في الدوائر التناظرية من الدوائر الرقمية القريبة. على الرغم من أنه يمكن تقليل بعض هذه المشكلات من خلال التخطيط الدقيق (كما هو موضح أعلاه) ، فإن الحاجة إلى تصميم تناظري قوي واضحة.

يتم إجراء اختبار الشريحة بمساعدة لوحة دوائر مطبوعة مصممة خصيصًا (PCB). تم تصميم PCB بشكل صحيح ، مما يجعل اختبار الرقاقة أمرًا سهلاً. قد تصبح الحياة ، المصممة بشكل غير صحيح ، كابوس لحام وأسلاك. لسوء الحظ ، فإن تعلم الفرق بين الاثنين يتطلب أحيانًا ساعات من التجربة المؤلمة غالبًا ما لا يفهمها المبتدئون بشكل صحيح في المحاولة الأولى. بخلاف الشريحة نفسها ، فإن اللوحة مليئة بمقاييس فرق الجهد والموصلات ومنظمات الجهد ودبابيس الاختبار (العديد منها!) ودوائر إضافية على اللوحة. من الواضح أن دبابيس الاختبار ضرورية لتسجيل الإشارات الرقمية والتناظرية داخل الشريحة. يتم مراقبة الإشارات التناظرية وتسجيلها باستخدام الذبذبات. يمكن التقاط البيانات الرقمية باستخدام محلل منطقي أو كمبيوتر (عبر USB).

تحدد مرحلة الاختبار الأولية مدى نجاح النموذج المحاكي في النجاة من التصنيع. كيف تختلف معلمات التصنيع عبر الشريحة؟ كيف أثرت تيارات التسرب على وظيفة الدائرة؟ في أي مستويات التحيز تعمل الشريحة على النحو الأمثل؟ يتم تبسيط هذه المرحلة بقليل من التبصر أثناء التخطيط. يساعد تشغيل إشارات جهد أو تيار مختلفة خارج المصفوفة (من خلال تضمين ماسح ضوئي على الشريحة) في رؤية كيفية تصرف المكونات المختلفة في النموذج. يمكن بعد ذلك مقارنة وظيفتها بمحاكاة واسعة النطاق سابقة. خلاف ذلك ، يبقى المرء مع محاولة معرفة ما يجري من خلال النظر في طفرات الإخراج.

نظرًا لأننا نمذجة علم الأحياء ، فإننا نتوقع أن تعمل شرائحنا مثل علم الأحياء. وبالتالي ، فإن الإجراء التجريبي الذي نستخدمه يشبه إلى حد بعيد ذلك الموجود في الأدبيات. بالنسبة لشبكية العين ، قد يتضمن ذلك أنماطًا وامضة من الضوء. بالنسبة لقوقعة الأذن ، قد يتضمن ذلك استخدام ترددات صوتية مختلفة. بالنسبة لنموذج الخلايا العصبية ، قد يتضمن ذلك تكرار تجارب المشبك الجهد. من المهم بالنسبة لنا أن نظهر أن مكونات نظامنا تكرر نظائرها البيولوجية. خلاف ذلك ، سنواجه صعوبة في إقناع الآخرين بأن دماغنا الاصطناعي يعمل مثل دماغ الإنسان.


المواد والأساليب

الحيوانات ، وزراعة الخلايا ، وترنسفكأيشن ، والبلازميدات

تمت الموافقة على استخدام الحيوانات والعناية بها وتوجيهها من قبل لجنة رعاية الحيوان المؤسسية واستخدامها بجامعة بكين ورابطة تقييم واعتماد رعاية حيوانات المختبر. تم توفير الفئران TRPV1-KO بواسطة Z. Zhu (الجامعة الطبية العسكرية الثالثة ، تشونغتشينغ ، الصين). تم إهداء الفئران Dyn1-KO من قبل P. De Camilli (جامعة ييل ، نيو هافن ، CT). جرذان سبراج داولي (

7 أيام) عن طريق الحقن داخل الصفاق 0.15 مل من 10 ٪ كلورال هيدرات ، وتم استخدام التخدير الخافض للحرارة للفئران. تم عزل DRGs لجميع قطاعات العمود الفقري في وسط ثلجي L15 بارد (Gibco) وفصل إنزيمي في التربسين (0.2 مجم / مل) ونوع كولاجيناز 1A (1 مجم / مل) يحتوي على وسط Dulbecco's Eagle's المعدل / F12 لمدة 40 دقيقة عند 37 درجة مئوية. تم بعد ذلك فصل الخلايا عن طريق السحن ونقلها باستخدام 3 ميكروغرام من NPY-pHluorin - معبر عن البلازميد باستخدام نظام Electroporation للنيون (نظام 100 ميكرولتر) (Invitrogen ، MPK10096) وفقًا لتعليمات الشركة المصنعة. تم طلاء الخلايا المنقولة على أغطية مغلفة بالبولي إيثيلين أمين وتم تربيتها لمدة 18 إلى 28 ساعة في حاضنة مرطبة (37 درجة مئوية ، 5 ٪ من ثاني أكسيد الكربون.2) في وسط Neurobasal-A مكمل بـ 2٪ B27 و 0.5 ملي مولار من GlutaMAX-I (كلها من Gibco). صُنع بلازميد NPY-pHluorin من NPY-Venus (هدية من N. Gamper ، جامعة ليدز) و synapto-pHluorin (هدية من G.Miesenböck ، جامعة أكسفورد). كانت جميع المواد الكيميائية من سيجما ، ما لم يذكر خلاف ذلك.

تألق مناعي

تم إصلاح الخلايا العصبية DRG المنقولة باستخدام NPY-pHluorin في بارافورمالدهيد بنسبة 4 ٪ في محلول ملحي مخزّن بالفوسفات (PBS) لمدة 15 دقيقة في درجة حرارة الغرفة وتم نفاذه باستخدام 0.3 ٪ Triton X-100 لمدة 5 دقائق. تم حظر الخلايا باستخدام 2 ٪ من ألبومين المصل البقري (BSA) في برنامج تلفزيوني لمدة ساعة واحدة في درجة حرارة الغرفة ثم تم تحضينها طوال الليل بأجسام مضادة أولية مخففة في PBS بنسبة 2 ٪ BSA عند 4 درجات مئوية. بعد غسل الأجسام المضادة الأولية باستخدام محلول مانع ، تم تحضين الخلايا باستخدام الغلوبولين المناعي G (H + L) الماعز المترافق مع أليكسا فلور 594 (H + L) (Invitrogen ، A11037) المخفف في PBS بنسبة 2٪ BSA لمدة ساعة واحدة عند درجة حرارة الغرفة. تم تلطيخ النوى بعد ذلك بـ DAPI (4 ′ ، 6-Diamidino-2-phenylindole) وتم تركيبها بـ DAKO. تم استخدام الأجسام المضادة ضد CGRP (Peninsula ، IHC6006) و secretogranin II (Abcam ، ab12241). تم التقاط الصور باستخدام مجهر (كنفوكل) مقلوب LSM 710 (كارل زايس). لتحليل تحديد الموقع ، تم اختيار جميع النقاط النقطية داخل الخلايا ضمن أقسام بصرية 1 ميكرومتر وتحليلها باستخدام المكون الإضافي JACoP لبرنامج McMaster Biophotonics مرفق ImageJ (المعاهد الوطنية للصحة).

تصوير وتحفيز وتحليل TIRF

تم إجراء تصوير TIRF على مجهر مقلوب مع عدسة موضوعية 100 × TIRF (فتحة عددية ، 1.45 أوليمبوس IX-81). تم التقاط الصور بواسطة جهاز Andor المضاعف للإلكترون المقترن بالشحن باستخدام برنامج Andor iQ بوقت تعريض يبلغ 50 مللي ثانية. احتوى محلول الحمام القياسي على ما يلي: 150 ملي كلوريد الصوديوم ، 5 ملي مول كلوريد ، 2.5 ملي كلوريد الكالسيوم2، 1 ملي MgCl2، 10 ملي H-Hepes ، و 10 ملي مولار الجلوكوز (الرقم الهيدروجيني 7.4). تم الحفاظ على درجة الحرارة في

35 درجة مئوية في جميع تجارب TIRF باستخدام سخان مصنوع في المختبر. تم تعريف الأحداث الخارجة للخلايا على أنها زيادات مفاجئة في التألق ، تليها مباشرة انخفاض مضان أو انتشار NPY-pHluorin puncta في المنطقة المجاورة. لتحليل أحداث الإصدار الفردي ، تم اختيار كل حدث وتمييزه بمناطق دائرية قطرها 1.92 ميكرون (مركز) وقطر 2.4 ميكرون (الحلقة). تم حساب شدة الإسفار وتحليلها باستخدام قيم الشدة ImageJ خلال خط الأساس 0.5-s قبل أن يتم حساب متوسط ​​قيمة الذروة واستخدامها F0. في أحداث FFL (أو الانتشار) ، حدثت زيادة مضان قوية في كل من المركز والمنطقة الحلقية لنقاط NPY-pHluorin ، والتي تمثل إطلاق وانتشار NPY-pHluorin. أظهرت أحداث KAR سطوعًا قصيرًا للنقاط ، ولكن ليس هناك أو زيادة محدودة للغاية في التألق في المنطقة الحلقيّة ، مما يمثل فتحًا عابرًا وانغلاقًا لمسام الانصهار المقيد التي حدت من إطلاق NPY. ارتفاع K + [85 ملي كلوريد الصوديوم ، 70 ملي كلوريد الصوديوم ، 2.5 ملي كلوريد الكالسيوم2، 1 ملي MgCl2تم تطبيق 10 ملي مولار Hepes و 10 ملي مولار الجلوكوز (الرقم الهيدروجيني 7.4)] والكابسيسين (300 نانومتر) باستخدام نظام نضح تغذيه الجاذبية. تم تطبيق تحفيز المجال الكهربائي (1 مللي ثانية ، 15 فولت) من خلال زوج من الأسلاك البلاتينية باستخدام محفز إلكتروني (Nihon Kohden ، SEN-3201) تم وضع القطب السالب بالقرب من الخلية قيد الفحص. لتصوير TIRF ثنائي اللون ، تم تصنيف قنوات Ca 2+ بـ mCherry (Cav2.2-mCherry و TRPV1-mCherry) ، وتم تصور أحداث الاندماج بواسطة NPY-pHluorin.

قياسات الإسفار والكسور Ca 2+

الكالسيوم داخل الخلايا ([Ca 2+]أنا) باستخدام نظام تصوير Ca 2+ (حتى الضوئيات). تم تحميل ملح البوتاسيوم Fura-2 (1.0 مم) في الخلية عبر ماصة التصحيح في تكوين الخلية الكاملة. تم أخذ عينات من الأسفار عند 2 أو 10 هرتز.

كسور Ca 2+ الحالي ، صF، يتم تعريفه على أنه النسبة المئوية للتيار Ca 2+ في إجمالي التيار المار عبر قناة الكاتيون (أنام في هذه الحالة). حسب التعريف الاصلي (40) ، P f = ∫ I Ca d t ∫ I m d t = Δ Fd F max × ∫ I m d t (1) حيث أنام هو إجمالي تيار الخلية الكاملة و أناكاليفورنيا هو الكسر المقترح أنام التيار الذي يحمله Ca 2+. ΔFd هو تغيير Fd ، وهو "إشارة fura-2 الحساسة Ca 2+ المعدلة" قبل (Fdt0) وبعد (Fdt1) نبض الجهد أو تدفق Ca 2+ الناجم عن يجند. فد = F340 − F380 ، ΔFd = Fdt1 - فدt0، و Fالأعلى هو ثابت ، والذي تم تحديده عن طريق قياس تدفق Ca 2+ من خلال VGCCs في الحلول المحددة أعلاه. في ظل الظروف الفسيولوجية ، فإن جميع الأيونات المساهمة في التيار من خلال VGCCs هي Ca 2+ ، وهي صF = 100٪. من Eq. 1 ، Fالأعلى = ΔFd / ∫أناكاليفورنياد، أين أناكاليفورنيا = أنام (وهو التيار من خلال VGCCs). وفقًا لـ Eq. 1 ، بعد تحديد Fالأعلى عن طريق قياس إشارة fura-2 التي يتم استحضارها بعد تنشيط TRPV1 ، فإن صF يمكن تحديد كل قناة.

المقايسة المناعية CGRP

تم تقييم تركيزات CGRP القاعدية والمحفزة خارج الخلية في الخلايا العصبية DRG المعزولة حديثًا باستخدام مجموعة مقايسة الإنزيم المناعي (Bachem) ، باتباع تعليمات الشركة المصنعة. تم غسل الخلايا ثلاث مرات بمحلول خارجي عادي ثم تم تحضينها في نفس المحلول لمدة 30 ثانية عند درجة حرارة الغرفة ، متبوعة بحضانة أخرى لمدة 30 ثانية في هذا المحلول الذي يحتوي على 70 ملي مول كلوريد البوتاسيوم أو 300 نانومتر من الكابسيسين. تم جمع حلول الحضانة للتحليل اللاحق لمستويات CGRP القاعدية والتحفيز المقترن. تم طرد جميع العينات عند 13000 دورة في الدقيقة لمدة 5 دقائق ، وتمت معالجة المواد الطافية لقياس CGRP. تم تحليل العينات عند 450 نانومتر باستخدام قارئ الصفيحة الدقيقة (BioTek Synergy 4). تم استقراء تركيزات CGRP (بالبيكوجرام لكل مليلتر) من أفضل خط ملائم محسوب من التخفيفات التسلسلية لمعيار CGRP. تم قياس جميع نقاط البيانات في ثلاث نسخ.

التسجيلات الكهربية

استخدمنا مضخم صوت EPC10 / 2 مع برنامج Pulse (HEKA Elektronik) للحصول على تسجيلات مشبك التصحيح للخلية الكاملة كما هو موضح سابقًا (41, 42). تم التحكم في مقاومة الماصة بين 3 و 4 ميغا أوم عند ملؤها بمحلول داخلي يحتوي على 153 ملي كلوريد الصوديوم ، 1 ملي مولار كلوريد2، 10 ملي مولار هيبس ، و 4 ملي ملغ-أدينوسين 5′-ثلاثي الفوسفات (الرقم الهيدروجيني 7.2). يحتوي المحلول الخارجي العادي على 150 ملي كلوريد الصوديوم ، 5 ملي مول كلوريد ، 2.5 ملي كلوريد الكالسيوم2، 1 ملي MgCl2و 10 ملي مولار من الجلوكوز و 10 ملي مولار من الجلوكوز (الرقم الهيدروجيني 7.4). تم استخدام برنامج Igor (WaveMetrics) لجميع تحليلات البيانات دون اتصال بالإنترنت. أجريت جميع التجارب في درجة حرارة الغرفة ، ما لم يذكر خلاف ذلك.

تصوير الكالسيوم

تغييرات [Ca 2+]أنا في الخلايا العصبية DRG تم قياسها على أنها نسبة Fluo-4 / Fura-Red مضان (43). تم تحميل الخلايا بـ 2.5 ميكرومتر Fluo-4 AM و 5 ميكرومتر Fura-Red AM (Invitrogen) مذاب في 0.2 ٪ ثنائي ميثيل سلفوكسيد و 0.04 ٪ Pluronic F-127 في محلول حمام قياسي عند 37 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة. تم بعد ذلك غسل الخلايا وتصويرها باستخدام مجهر متحد البؤر مقلوب (زايس LSM 710). The fluorescent Ca 2+ indicators were excited using a 488-nm laser, and the light emitted from the Fluo-4 and Fura-Red was recorded on separate channels at 500 to 540 nm and 600 to 680 nm, respectively. Images (512 × 512 pixels) were acquired at 1 Hz under a 40× oil objective lens (Zeiss). The Ca 2+ level was determined from ROIs using the ratio of intensity traces recorded on the Fluo-4 and Fura-Red channels.

إحصائيات

All experiments were replicated at least three times. Data were analyzed offline using ImageJ and Igor software. Data are means ± SEM. Statistical comparisons were performed using two-tailed unpaired Student’s ر test, Kolmogorov-Smirnov test, or Mann-Whitney يو test, as indicated. All tests were conducted using SPSS 13.0 (Statistical Package for the Social Sciences). Significance threshold was set at ص & لتر 0.05.


2: ELECTRICAL SIGNALS OF NERVE CELLS

Central Nervous System: Brain and spinal cord. Spinal fluid goes through the ventricles. No nerve endings Peripheral Nervous System: Senses coming into the central nervous system OR motor system (heart, breathing) Somatic Motor System - skeletal muscles Internal (tummy aches) and external (touching and feeling) environment

Nerve Cell Morphologies Cell Body: “Where the action happens” RNA, DNA. Dendrites: Information goes out, information is received محور عصبي: Info comes in, sends it out -&gt both coming off either side of the cell body

-&gt Neuron: Function: - Inter-cellular communication: the transfer of information from one cell to another - Electrical signalling Convergence: Number of inputs to one neuron. Multiple neurons -&gt one neuron Divergence: Number of targets. One neuron -&gt multiple neurons Interneurons: Short. Transfer information to each other Submillimeter in length Projection: Longer. Can be meters

Types of Neuronal Electrical Signalling Resting Membrane Potential: Always negative (-40 to -90mV) A negative potential generated by neurons that can be measured by recording voltage between the inside and outside of nerve cells Receptor Potential: Activation by external stimulus - Usually by touch, can be heat - High and low frequency touch

  • Harder touch = higher potential
  • Synaptic Potentials:* Transmission from one neuron to another. Serve as the means of exchanging information in the complex of neural circuits found in both the central and peripheral nervous systems Synaptic potentials are the incoming signals to the neuron. When the neuron is depolarised to threshold, it generates an action potential. The action potential is the outgoing signal of the neuron
  • Action Potential:* Travels along axon (spikes). Always exactly the same and has a threshold Special type of electrical signal that travels along their axons. Responsible for long-range transmission of information within the nervous system and allow the transmission of information to its target organs Generated by the neuron and typically is a brief change from negative to positive in the transmembrane potential These are considered ‘active responses’ because they are generated by selective changes in the permeability of the neuronal membrane

التيارات - Neutral state of an atom - Like charges repel, unlike charges attract -&gt cells are the same to generate electrical currents

Recording Electrical Signals in Nerve Cells - Two electrodes inserted into a neuron - one injects current and the other records Hyperpolarization: Becoming more negative Depolarisation: Becoming less negative. Depolarise neurons until they reach threshold Passive Response: When a cell does not reach its action potential whilst being hyper/depolarised Action Potential: Active response/amplitude is independent of input

Passive Current - Progressive decrease over distance - Current leaks out across membrane Active Current - Action potential boost current - Electrical current sustained over long distances - Movement of ions across membrane - Called active because it generates its own electrical current Electrical Potential - Differences in concentration of ions across membrane - Membranes are selectively permeable to different ions based on which “gates” are open

Myelinated Axons - Cells made up of fat that wraps around the axon, insulating it to stop the current bleeding out - No channels where myelination is Nodes of Ranvier: Gaps in the myelinated axon containing channels - Action potentials diffuse along due to insulation, called saltatory action potential. Much quicker than axons without myelination - Thicker axons = Further gaps = Much quicker - Involves active and passive currents


خطوات

    1. The patellar tendon is hit with the reflex hammer.
    2. Sensory stretch receptors in the muscle fiber sends sensory information to the spinal cord.
    3. That sensory information enters the spinal cord via the dorsal root and synapses on an interneuron and a motor neuron in the ventral horn.

      • The motor neuron then sends motor information away from the spinal cord via the ventral root.
      • The motor neuron send a signal to the quadriceps muscle fiber to contract.
      • The interneuron prevents a separate motor neuron from allowing the hamstring to contract.

      Title: Patellar Reflex Arc | Author: Backyard Brains | License: CC BY-SA 3.0


      Chapter 12 Nervous Tissue

      Make certain that you can define, and use in context, each of the terms listed below, and that you understand the significance of each of the concepts.

      1. Identify the major structures and functions of the nervous system in the maintenance of homeostasis.
        1. الجهاز العصبي
          1. organization of the nervous system
          2. central nervous system (CNS)
            1. مخ
            2. الحبل الشوكي
            1. ودي
            2. الجهاز العصبي نظير الودي
            1. sensory function
            2. integrative function
            3. motor function
              1. المستجيب
              1. histology
                1. electrical excitability
                2. action potentials (or nerve impulses)
                3. parts of a neuron
                  1. جسم الخلية
                  2. جثث نيسل
                  3. التغصنات
                  4. محور عصبي
                  5. التل المحوار
                  6. initial segment
                  7. trigger zone
                  8. axon collateral
                  9. axon terminal
                  10. synapse
                  11. synaptic end bulb
                  12. varicosities
                  13. synaptic vesicle
                  14. ناقل عصبي
                  15. fast axonal transport
                  16. slow axonal transport
                  1. sensory
                  2. محرك
                  3. interneurons
                  1. neuroglia or glia
                  2. نجمية
                  3. oligodendrocytes
                    1. myelin sheath
                    2. المايلين
                    1. myelinated and unmyelinated
                    2. neurolemma
                    3. العقد رانفييه
                    4. clusters of neuronal cell bodies&mdashnucleus
                    5. bundles of axons&mdashtracts
                    6. مادة بيضاء
                    7. مسالة رمادية او غير واضحة
                    1. graded potentials
                    2. إمكانات العمل
                      1. muscle action potential
                      2. nerve action potential
                      1. غشاء المحتملة
                      2. resting membrane potential
                      3. تيار
                      1. ion channel
                        1. electrochemical gradient
                        2. leak channel
                        3. ligand-gated ion channel
                        4. mechanically-gated ion channel
                        5. voltage-gated ion channel
                        1. resting membrane potential
                        2. polarized
                        3. factors that contribute to the resting membrane potential
                        4. graded potential
                          1. hyperpolarizing graded potential
                          2. depolarizing graded potential
                          3. decremental conduction
                          4. summation
                          1. action potential (AP) or impulse
                          2. عتبة
                            1. subthreshold stimulus
                            2. threshold stimulus
                            3. suprathreshold stimulus
                            1. فترة الحرارية المطلقة
                            2. فترة المقاومة النسبية
                            1. nerve impulse propagation (or conduction)
                            2. continuous conduction
                            3. التوصيل المملحي
                            4. factors that affect the speed of propagation
                            5. classification of nerve fibers
                            6. encoding of stimulus intensity
                            7. comparison of electrical signals produced by excitable cells
                            1. synapse
                              1. presynaptic neuron
                              2. postsynaptic cell
                              3. postsynaptic neuron
                              4. خلية المستجيب
                              5. axodendritic
                              6. axoaxonic
                              7. electrical synapse
                              8. gap junctions
                              9. مزايا
                              10. chemical synapse
                              11. شق متشابك
                              12. postsynaptic potential
                              13. synaptic delay
                              14. transmission of signals at a chemical synapse&mdash7 steps
                              15. excitatory postsynaptic potential (EPSP)
                              16. inhibitory postsynaptic potential (IPSP)
                              17. neurotransmitter receptors
                              18. removal of neurotransmitter
                              1. summation
                                1. spatial summation
                                2. temporal summation
                                  1. EPSP
                                  2. nerve impulses
                                  3. IPSP
                                  1. neurosecretory cells
                                  2. الناقلات العصبية
                                    1. أستيل
                                      1. أحماض أمينية
                                      2. glutamate
                                      3. gamma-aminobutyric acid (GABA)
                                      4. glycine
                                      1. norepinephrine
                                      2. ادرينالين
                                      3. الدوبامين
                                      4. catecholamines
                                      5. السيروتونين
                                      1. enkephalins
                                      2. endorphins
                                      1. neural circuits
                                        1. simple series
                                        2. diverging circuit
                                        3. converging circuit
                                        4. reverberating circuit
                                        5. parallel after discharge circuit
                                        1. neurogenesis in the CNS
                                          1. الليونة
                                          2. تكوين الخلايا العصبية
                                          1. multiple sclerosis (MS)
                                          2. الصرع

                                          Complete the &ldquoChapter Review and Resource Summary&rdquo at the end of the chapter.

                                          Work through the &ldquoCritical Thinking Questions&rdquo for this chapter in WileyPLUS and ORION.


                                          CH 105 - الكيمياء والمجتمع

                                          Neurobiochemistry is one of the most explosive areas of biological research. Scientists are now starting to unravel the molecular bases for memory, cognition, emotion, and behavior. The next decades will bring truly revolutionary understanding of brain chemistry and along with it the potential to alter human mood, memory, and to treat mental illness such as schizophrenia much more effectively. The human brain, with about 100 billion neurons (each which can form connections - synapses - with 1000 to 10,000 other neurons ) and associated glial cells (10-50 times the number of neurons) can be considered one of the most complex structures in the universe. This section will explore the biology and chemistry of neurons.

                                          THE RESTING POTENTIAL AND ACTION POTENTIALS

                                          Neurons consist of a single, nucleated cell body with multiple signal-receiving outgrowths (dendrites) and multiple-signal sending outgrowths (axons) which end in a terminal button. These interact through the synapse with dendrites on other neurons.

                                          A presynaptic neuron can stimulate an adjacent postsynaptic neuron by releasing a neurotransmitter into the synapse between the cells, which binds to a receptor in the membrane of the post-synapatic cell, stimulating the cell. We will discuss the events which cause the post-synaptic cell to "fire", but we will not discuss the immediate events which lead to the release of neurotransmitter by the presynaptic neuron.

                                          Neurons (as do all cells) have a transmembrane voltage difference or القدره across the membrane. Transient changes in the membrane potential are associated with neuron activation or inhibition. This arises in part due to the imbalance of sodium and potassium ions across the membrane which were established by a protein , Na + -K + -ATPase, in the membrane. This protein transfers 3 Na + ions out of the cytoplasm for every 2 K + ions it transports in, which generates a transmembrane potential. Likewise Cl - has a much higher level outside the cell. Membrane potentials are determined not only by the size of the ion gradients across the membrane, but also the differential permeability of membranes to ions. Synthetic bilayer membranes are not very permeable to ions. This should follow from your understanding of intermolecular forces: ions are not stabilized by nonpolar molecules and are not soluble in nonpolar solvents. the table below shows permeability of various ions to a liposome which is a bilayer without membrane proteins.

                                          Ion permeability of phosphatidyl serine vesicles

                                          ION PERMEABILITY (cm/s)
                                          صوديوم <1.6 x 10 -13 (lowest)
                                          البوتاسيوم <9 x 10 -13
                                          chloride <1.5 x 10 -11 (highest)

                                          Now check out the table below which shows the concentrations of ions inside cells and outside (for example in the blood) and their permeabilities to mammalian bilalyer membranes.

                                          T ypical ion concentrations and permeabilities for mammalian membranes.

                                          Ion Cell (mM) Blood (mM) Permeability (cm/s)
                                          البوتاسيوم 140 5 5 x 10 -7
                                          صوديوم 5-15 145 5 x10 -9
                                          chloride 4 110 1 x 10 -8
                                          X- (neg. macromol.) 138 9 0

                                          How can we account for the markedly greater permeabilities of ions (1000x to 1,000,000 x) in mammalian cell membranes compared to synthetic lipid vesicles? Glucose also has a greater permeability through red blood cell membranes than through synthetic liposomes because of a membrane receptor that allows facilitated diffusion across the membrane and down a concentration gradient.

                                          The same thing is true of ion permeabilites in intact biologicial membranes. These membranes have several types of selective ion القنوات (nongated - always open, and مسور - open only after specific shape changes in the protein). The nongated channels dramatically increase the permeability of membranes to ions, as the glucose transport protein increased the permeabilty to glucose. Ion channels in nerve and muscle can move ions across the membrane at a rate up to 10 9 /s..

                                          The Transmembrane Potential

                                          How is the transmembrane potential formed? Both glial cells (which function as protectors, scavengers, and feeder for brain neurons) and neurons have transmembrane potentials. First consider glial cells.

                                          Glial Cells

                                          The transmembrane ion gradients for ions are established, in part, through the action of ion-specific ATPases, such as we discussed with the Na/K ATPase. This transporter ejects 3 sodium ions from the inside of the cell for every 2 potassium ions in transports in, all against a concentration gradient. This makes the inside more "negative" than the outside, which contributes to the transmembrane potential. But note also that there is a Cl ion gradient across the membrane also. If another transporter moves Cl - ions to the outside of the cell in equal amounts as for Na + ions, no charge imbalance would exists across the membrane and no transmembrane potential would exist. In addition, might not any initial charge imbalance across the membrane, which would lead to a transmembrane potential, collapse as the ion gradient collapses as sodium flow back across the membrane down its concentration gradient and potassium ions flow out?

                                          Two things must occur for a membrane potential to be formed and be stable.

                                          • First, there must be a concentration gradient of charged ions (for example, sodium, potassium, or chloride) across the membrane. This arises from proteins like the sodium/potassium ATPase.
                                          • Second, the membrane must be differentially permeable to different ions. Differential permeabilities arise from different transmembrane protein ion channels, like a Na channel, or K channel, in membrane

                                          With respect to ion channels, glial cells appear to have only a non-gated potassium channel, which allows the outward flow of potassium ions down the concentration gradient. The inside will then have a net negative charge since impermeable anions remain. Sodium can't get from the outside to the inside through a channel. The concentration gradient causes this outward flow of potassium ions. As more ions leave, the inside gets more negative, and a transmembrane potential which resists further efflux of potassium develops. Eventually they balance, and the net efflux of potassium stops. The resting transmembrane potential reaches -75 mV .

                                          We can easily measure the actual transmembrane potential of cells. Varying the outside sodium and potassium concentrations would change the experimental transmembrane potential,. The experimental resting potentials of glial cells always matched the theoretical potassium potentials, supporting the view that the transmembrane potential was associated only with open, nongated potasisum channels. This was not observed with neurons, suggesting that channels other than for potassium were open. It became clear that nerve cells were permeable not only to potassium, but also to sodium and chloride. How do these work in establishing the resting potential? Consider the simplest case when just potassium channels are present, along with an unequal distribution of other ions. Now add some sodium channels. Two forces act to drive sodium into the cell - the concentration gradient, since sodium is higher on the outside, and the membrane potential since the inside of the cell is negative. The equilibrium potential of a cell if it were only permeable to sodium is +55 mv, so there is a great electrical drive for sodium to enter through the nongated, open sodium pores we just added. As sodium enters, the cell starts to "depolarize" and have a more positive voltage. However, since in our example, there are many more open potassium channels, the resting potential deviates only a small amount from the potassium potential, since as the potential becomes more positive, more potassium flows out down the concentration gradient. Eventually the enhanced potassium efflux equals the sodium influx, and a new resting membrane potential of -60 mV is established, which is typical of neurons. In the resting cells, the passive fluxes of sodium and potassium ions are exactly balanced by the active fluxes of these ions mediated by the Na/K ATPase.

                                          BINDING OF NEUROTRASMITTER TO RECEPTORS: CELL ACTIVATION

                                          What happens when a neurotransmitter binds to a receptor on the post-synaptic cell?

                                          • Stimuli are received from hundreds to thousands of different neurons.
                                          • Nerves receive both excitatory and inhibitory stimuli from neurotransmitters
                                          • Different kinds of receptors are present to receive stimuli, which control the activity of different kinds of channels.
                                          • The ion channels in neurons are gated by a variety of mechanisms: changes in membrane potential, iheat, cold, stretch, or covalent modification.

                                          Now what happens when a neurotransmitter binds to the receptor on the post-synaptic cell? A depolarization occurs (mediated by conformational changes in the transmitter-receptor complex) raising the membrane potential from the initial steady level. What happens next depends on the identity of the post synaptic cell. In a neuron, the rising potential triggers an action potential by opening voltage-gated sodium channels. The potential rises to about + 35 mV, but does not reach the Na ion equilibrium potential, because the high positive potential opens a voltage-gated potassium channel. The potential then falls until it reaches the K ion equilibrium potential where the cells is hyperpolarized. It slowly then relaxes back to the resting potential of -60 mV. This wave of changes in potential sweeps down the post-synaptic cell membrane and is the basis for the "firing" of the neuron.

                                          The following incredible animations come from: Neurobiology by Gary Matthews.

                                          • Chemical Synapse
                                          • Membrane-Bound Receptors, G Proteins, and Ca2+ Channels
                                          • Voltage Gated Channels and the Action Potential
                                          • Sodium-Potassium Exchange
                                          • Function of the Neuromuscular Junction
                                          • Action Potential Propagation in an Unmyelinated Axon
                                          1. Na + -K + -ATPase: It transports both sodium and potassium ions against a concentration gradient using ATP as an energy source. Without this protein, the membrane potential could not be maintained since the sodium and potassium gradient would collapse. It also contributes to the potential. (In addition, we have seen that ungated potassium and sodium channels are also present.)
                                          2. Neurotransmitter receptor: The receptors we will consider here are typically neurotransmitter-gated ion channels. Once the neurotransmitter binds, a shape change occurs in the transmembrane receptor protein, allowing a flow of ions down a concentration gradient. Depending on the nature of the ion, the channel either initiates depolarization (when Na + enters from the outside and raises the transmembrane potential) or inhibits depolarization (when Cl - enters from the outside and lowers it. When chloride channels open, they hyperpolarize the transmembrane potential. Stimulatory neurotransmitters (like glutamate) lead to depolarization of the membrane, while مثبط neurotransmitters (like gamma-aminobutyric acid or GABA) lead to hyperpolarization of the membrane (make the potential more negative). We will soon read that ethanol directly affects the GABA channel in neural membranes.
                                          3. Na + channel (voltage-gated): When the neurotransmitter-gated channel depolarizes the membrane to some threshold value, sodium channels undergo a shape change and open allowing Na + ions to flood into the cell, raising the potential to a positive approx. 33 mV. This membrane protein is a voltage-gated channel, not a neurotransmitter-gated one. Somehow, it senses a change in the transmembrane potential initiated by opening of the ligand-gated channel.
                                          4. K + channel (voltage gated): When the membrane potential reaches around +25 mV or so, the K + channel, a voltage-gated membrane protein, alters its conformation, allowing K + efflux from the cells, lowering the potential until it reaches the potassium equilibrium potential. It slowly relaxes back to the cell resting potential of about -60 mV.
                                          5. Cl - channel: If these channels (typically ligand-gated) are open, they will hyperpolarize the cell and make it more difficult to fire.

                                          Chime Molecule Modeling: Acetylcholine Receptor Pore | Jmol (1OED)

                                          Excitatory Neurotransmitters in the Brain:

                                          Glutamate is a major excitatory neurotransmitter in the brain. Four types of glutamate receptors are found in the central nervous system. They differ in the nature of neurotransmitter which bind to the receptor and which act as agonists. Excessive amounts of glutamate are neurotoxic.

                                          Inhibitory Neurotransmitters:

                                          The main inhibitory neurotransmitters are GABA (gamma-aminobutyric acid )and glycine. They bind to neurotransmitter-gated chloride channels, which when open hyperpolarize the membrane (make the transmembrane potential more negative) and hinder neuron firing. Benzodiazepines (like Valium and Librium - anti-anxiety and muscle-relaxing agents) and barbituates (like phenobarbital-hypnotics) bind at sites other than site where GABA binds and potentiate (increase) the binding of each other and GABA.

                                          • GABA Biochemistry
                                          • GABA Receptors
                                          • Benzodiazepines: agonists, antagonists and inverse agonists
                                          • Inverse Agonists: a reasonable explanation
                                          • GABA Channel Animation
                                          • Animation: alcohol/GABA
                                          • Summary Picture: GABA Channel Activity
                                          • Of Mice and Alcohol

                                          In summary, neurotransmitter and voltage gated channels allow changes in the polarization of the membrane. Other mechanisms can also lead to changes. Membrane proteins can be phosphorylated (using ATP) by protein kinases in the cell, leading to a change in the conformation of the membrane protein, and either an opening or closing of the channel. Channels linked to the cytoskeleton of the cells can also be opened or closed through stretching. Other stimuli that gate channels are light (through photoisomerization-induced conformational changes), heat, and cold.

                                          Neurotransmitters can act as signals to open ion-specific, ligand-gated membrane channels, which change the transmembrane potential. In other words, the neurotransmitters gate the channels مباشرة. Typical examples of channels directly gated by neurotransmitters are the acetylcholine receptor in neuromuscular junctions and the Glu, Gly, and GABA receptors in the central nervous system. Receptors with direct gating of ion flow are fast, with activities that last milliseconds, and are used in eliciting behavioral responses.

                                          However, ion channels can also be gated indirectly when the neurotransmitter binds to its receptor and leads to events which open an ion channel that is distinct from the receptor. In this case, the occupied receptor communicates to an ion channel indirectly through activation of kinases which can phosphorylate other protein including other neurotransmitter receptors. Example of this indirect gating of ion channels include the serotonin, adrenergic, and dopamine receptors in the brain. These receptors, when they bind neurotransmitters, lead to the increase of second messenger levels (such as cAMP) in the neuron. This can either activate kinases in the cell, which phosphorylate ion channels to either open or close them, or can bind directly to the channel and modulate its activity through a direct shape change. In contrast to direct gating, receptors that indirectly gate ion channels have activities that are slow and last seconds to minutes. These receptors are usually involved in modulating behavior by changing the excitability of neurons and the strength of neural connections, hence modulating learning and memory.

                                          • Web Textbook on Nerve Impulses - with interactive simulations of ions channels (this is an awesome web site)
                                          • World's Neurochemistry Portal - from the International Society for Neurochemistry
                                          • I on channels for beginners.

                                          Alcohol and Drug Effects on Neurons

                                          You should now have enough background to read some recent scientific articles on the action of alcohol and other drugs on neurons. Please refer to the class schedule and WebCT for specific reading assignments. I will add additional summarizes below from recent studies if warranted.

                                          Alterations of potassium channel have recently been implicated in the inhibitory effects of ethanol. Davies, McIntire, et al. studied effects of ethanol on the round worm C. ايليجانس, believing that alcohol-mediated inhibition of neural activity would be conserved across species. Previously it has been shown that the dose required for behavioral changes is similar for both invertebrates and vertebrates. Ethanol seems to affect many different proteins that would lead to synaptic inhibition, including GABA and glutamate channels and potassium channels. Many different gene products (dopamine D4 receptors, protein kinase C) are associated with increased sensitivity while others (nitric oxide synthase, dopamine D2) are associated with ethanol resistance. These changes suggests that complex pathways are involved in ethanol effects but they didn't isolate a specific target for its effects.

                                          When C. elegans were exposed to ethanol for brief time periods, ethanol levels rose to values similar to levels seen in intoxicated drivers (0.1%). They isolated mutants that were resistant to the inhibitory effect of ethanol (which in this organism were observed as changes in movement and egg-laying behavior). These mutants affected a single gene, slo-1, homologous to the the slowpoke gene in drosophila. The gene in both organisms encoded a potassium channel, whose normal function is to repolarize neural membranes to their resting potential. The normal channel is مفعل by ethanol, which enhances K + efflux, making the transmembrane potential more negative, which makes inhibits neural firing (the same outcome as when ethanol enhances Cl- influx through GABA channels). Mutants strains (resistant to alcohol), when transformed with slo-1+ regained ethanol sensitivity. Ethanol appears to directly activate the channel. This would lead to efflux of potassium ions from the worm, hyperpolarizing the neural cells, leading to inhibition of neural activity. Effects in C. elegans were observed at physiologically relevant ethanol, ranging from those that produce euphoria to sedation in humans.

                                          Davies, A. et al. A Central Role of the BK Potassium Channel in Behavioral Response to Ethanol in C. Elegans. Cell, 115, pg 655 (2003)


                                          شاهد الفيديو: التشريح والفسلجة 3D: الحلقة #3:الانسجة النسيج العصبي الجهاز العصبي (أغسطس 2022).