נוירון פיראמידאלי (בקורטקס) עץ דנדריטי אפיקאלי עץ דנדריטי בזאלי גוף תא אקסון עם שלוחות קלט סינפטי המעבדה היום עוסקת באופן שבו עובר מידע בין נוירונים. בתרשים יש דוגמה לנוירון שנמצא בקליפת המח. הוא נקרא נוירון פיראמידלי, הוא מייצג רק סוג אחד של תאים שקיימים בקורטקס. אנחנו מתייחסים לתאי העצב כאל יחידות חישוביות שמתקשרות ביניהן. כל תא עצב מקבל קלטים מנוירונים אחרים. לדוגמה, תא פירמידאלי מקבל 10,000 קלטים. הקלטים מתקבלים על השלוחות הנקראות דנדריטים ועל גוף התא – הסומה (חיצים). הקלטים מתקדמים אל הסומה באופן פאסיבי ונסכמים. במידה ושינוי המתח שיצרו יחד כל הסינפסות עובר את הסף, נוצר פלט=פ"פ. הפלט נוצר באזור המפגש בין הסומה לאקסון , באזור הנקרא תלולית האקסון – AXON HILLOC . הפלט הוא יחיד לעומת קלטים מרובים והוא דיגיטלי אחיד בגובהו וברוחבו בלי תלות בכמות הקלטים (הוריאביליים) שנסכמו. אז כיצד מתבטאת בפלט השונות בקלטים? איך קודד כאן המידע? המידע נמצא בתזמון ובתדר הספייקים. (אז יש מבנה מרחבי שמשמש פונקיונלית באיסוף קלטים מאזורים נרחבים ומרוחקים ומשכבות שונות ואינטגרציה של מידע רב ושונה במהותו כיוון שמגיע מאיזורים שונים.) פלט התא

תגובת תא לגירוי (הזרקת זרם) תא פסיבי (ללא תעלות יונים תלויות מתח): תא אקטיבי (מכיל תעלות יונים תלויות מתח):

קלט ופלט בנוירון פלט: פוטנציאל פעולה EPSP (Excitatory Post Synaptic Potential) 10msec 10mV מיאלין nodes of ranvier תעלות תלויות מתח תעלות תלויות מתח תעלות תלויות ליגנד 1msec 100mV פלט: פוטנציאל פעולה IPSP (Inhibitory Post Synaptic Potential) 10msec 10mV תעלות פאסיביות מהם בעצם הקלט והפלט? אלה שינויי מתח שנובעים מזרמי יונים דרך תעלות בממברנת התא. זוהי סכמה של נוירון, זוהי תלולית האקסון והסיגנל מתקדם לאורך האקסון. אפילו שהאקסון הוא ארוך הסיגנל איננו דועך כיוון שהאקסון עטוף במעטה שומני בשם מיאלין. דרך אגב, כשמדברים על חומר אפור וחומר לבן במח מתייחסים למיאלין שהשומן הרב בו משווה לו מראה לבן ולגופי התאים שנראים אפורים-חומים. המעטפת אינה רצופה, אלא עשויה ממקטעים שביניהם מרווחים בשם NODES OF RANVIER. מרווחים אלה מכילים תעלות תלויות מתח שמאפשרות את הגברת הסיגנל לאורך התקדמותו באקסון. תעלות אלה מעבירות יונים עפ"י מפל הריכוזים בין שני צידי הממברנה (כלומר בלי שימוש במקור אנרגיה חיצוני ATP כמו משאבות). האקסון מסתיים בנקודות סיום מרובות הנקראות כפתורים סופיים (בוטונים). כל בוטון יוצר כמה סינפסות עם הדנדריט או הסומה של התא הבא, שנקרא התא הפוסט-סינפטי. הטרמינל הפרה-סינפטי מכיל גם הוא תעלות תלויות מתח שמאפשרות שחרור של וסיקולות או בועיות שמכילות נוירוטרנסמיטורים (גאבא, אצטיל כולין ועוד). אלה הם מתווכים כימיים שמשתחררים מהתא הפרה-סינפטי כתוצאה מאיחוי הוסיקולות עם הממברנה הפרה-סינפטית. הם משתחררים למרווח הסינפטי וחלקם נקשרים לרצפטורים על הממברנה הפוסט-סינפטית. זוהי הפעלת הסינפסה. הפעלת הסינפסה מסתיימת ע"י פירוק הנ"ט ע"י אנזים, או בריאפטייק – קליטת הנ"ט מהמרווח הסינפטי חזרה לתוך התא הפרה-סינפטי. הממברנה הפוסט-סינפטית מכילה תעלות תלויות ליגנד שנפתחות כתוצאה מקישור הנ"ט לרצפטור. הרצפטור ממוקם על הממברנה ועקב הקישור עובר שינוי קונפורמציה. כך מתאפשרת פתיחת התעלות של הרצפטור, שיכולות להיות שכנות לרצפטור או ברצפטור עצמו. ישנן גם תעלות פסיביות שממוקמות על ממברנת התא הפרה וגם הפוסט, כלומר בכל התא-אקסון, דנדריטים וגוף התא. הן כל הזמן פתוחות כמו חורים בממברנה וכל יון יכול לעבור דרכן. הן קובעות את מתח המנוחה של התא. המתח הזה משתנה כשהסינפסה מופעלת. פתיחת התעלות תלויות הליגנד גורמת לשינוי המתח הפוסט-סינפטי - לעליה או ירידה במתח יחסית למנוחה. למעלה - דוגמה לקלט אקסיטטורי, כלומר עליית מתח הממברנה בעקבות פעילות הסינפסה. למטה – קלט אינהיביטורי = ירידת מתח הממברנה יחסית למנוחה. בחלק הראשון של המעבדה נתמקד בצד הפרה-סינפטי ונלמד איך נוצר פ"פ ובחלקה השני נדון בפוטנציאל הפוסט סינפטי ונבין מה קובע את כיוון השינוי במתח ואת משרעת השינוי תעלות פאסיביות

מודל לתיאור יצירת פוטנציאל פעולה: Hodgkin & Huxley (1952) הודג'קין והאקסלי פרסמו בשנת 1952 חמישה מאמרים שתארו מודל המסביר את המנגנונים היוניים שיוצרים פ"פ ומאפשרים לו להתקדם לאורך האקסון. הם זכו על העבודה הזו בפרס נובל ברפואה בשנת 1963. המודל הוא מערכת של משוואות דיפרנציאליות שנותנות קירוב לתכונות החשמליות של תאים אקסיטביליים. הודג'קין והאקסלי מדדו את ריכוזי וזרמי היונים באקסון. לאחר ביצוע הניסויים הם חיפשו את מערכת המשוואות שתתאים בצורה הטובה ביותר לתוצאות. המשוואות שפיתחו איפשרו לעשות תחזיות נסיוניות. מאז הפרסום שלהם התפרסמו מאות מאמרים שעשו שימוש בדגם של הודג'קין והאקסלי לתאור הזרמים ופ"פ. עד היום מתבססים על המודל שלהם בעבודות רבות.

הניסויים שביצעו הודג'קין והאקסלי באקסון הענק של הדיונון (Voltage clamp) מתח קיבוע חסימת תעלות הנתרן הודג'קין והאקסלי ביצעו ניסויים באקסון הענק של הדיונון, שמאפשר ביצוע רישומים חשמליים בזכות גודלו: קוטר של 1מ"מ (פי מאות ואף אלפים מאקסון של יונקים). גודל זה נחוץ לדיונון משום שהאקסון אינו מכוסה במיאלין והוא מאפשר החדרת אלקטרודה לתוכו ואף את הוצאת הציטופלסמה לצורך מדידת ריכוזי היונים בה (פרוצדורות שלא ניתן לבצע ביונקים). הודג'קין והאקסלי מדדו את הזרמים העוברים דרך הממברנה בעזרת שיטה הנקראת קיבוע מתח. כאן, למשל, מתח הממברנה מוחזק על 70mv- ומוקפץ ל- 0mv (גרף עליון), מדידת הזרם בזמן זה תאפשר לדעת אם הוא חיובי או שלילי. ניתן לראות שתחילה יש זרם שלילי ואח"כ חיובי. כדי להפריד בין זרמי היונים השונים אפשר להשתמש בחסמים ספציפיים של תעלות. חסימת תעלת הנתרן מאפשרת למדוד רק את זרם האשלגן (גרף אמצעי) ולהיפך (גרף תחתון). ניתן לראות שזרם האשלגן חיובי = החוצה והנתרן שלילי = פנימה. חסימת תעלות האשלגן

זרמים בתא הפרה-סינפטי K+ המתח בתא נקבע לפי חוק אוהם בטריית היון מתח הממברנה iמשוואת הזרם של יון כא"מ מוליכות משוואת נרנסט קובעת את הבטריה של היון חוק אוהם מתאר את המתח כתלות בזרם ובהתנגדות, שהיא מוליכות/1. ניתן למעשה לתאר את הזרם בתור מכפלת המוליכות במתח. במה תלוי מתח הממברנה? במתח המנוחה ובבטריות של היונים שעוברים דרכה. בטריה של יון משקפת את ש"מ האלקטרוכימי של היון. כלומר: הגעה למאזן בין שני צידי הממברנה בין כוח הפרש הריכוזים לכוח הפרש המטענים של אותו יון. משוואת נרנסט מתארת את בטריית היון. במנוחה, ריכוז האשלגן התוך תאי גדול בהרבה מריכוזו מחוץ לתא. כתוצאה מכך כשנפתחות תעלות אשלגן היונים יזרמו החוצה. יונים חיוביים היוצאים מהתא מוגדרים כזרם חיובי. בטריית האשלגן היא שלילית. מה זה אומר? שהיונים ימשיכו לזרום החוצה מהתא עד שריכוז האשלגן החוץ תאי ישווה לתוך תאי ומצב זה מתרחש כשמתח התוך תאי שלילי. משוואת הזרם: הזרם של היון תלוי במוליכות לאותו יון (כלומר מספר התעלות הפתוחות). אבל לא רק במוליכות. גם אם המוליכות אינסופית, עדיין יש גורם מגביל – הכא"מ. זהו כוח שקובע את גודל הזרם וכיוונו. מתח הממברנה או בטריית היון לבד לא קובעים, אלא ההפרש ביניהם. להפרש זה קוראים כוח אלקטרו-מניע. מהי בטריה של יון: ריכוז הנתרן התוך תאי נמוך מריכוזו מחוץ לתא. כתוצאה מכך כשנפתחות תעלות נתרן היונים יזרמו פנימה אל תוך התא. יונים חיוביים הנכנסים לתא מוגדרים כזרם שלילי. כמו גם יונים שליליים היוצאים מן התא לצורך העניין היון שלילי יחיד במערכת הוא הכלור. בטריית הנתרן היא חיובית. כלומר יוני הנתרן יפסיקו להכנס לתא במתח חיובי. כי המתח בתא צריך להיות חיובי כדי שהיונים לא יזרמו פנימה. Na+ ENa חיובי K+ EK שלילי EK = -90* log([K]out/[K]in) ENa = 67* log([Na]out/[Na]in)

הכא"מ משפיע על כיוון ועוצמת הזרם Ei Vm Vm Ei כיוון הזרם: נציב: Vm = -60mv, Ek = -75mv, ENa = +55mv זרם חיובי זרם שלילי Ei Vm Ei Vm עוצמת הזרם: כל יון שואף להגיע לש"מ האלקטרוכימי שלו. המצב המצוי הוא הפרש הריכוזים שלו במתח המנוחה של הממברנה. אבל המצב הרצוי מבחינתו הוא בהפרש הריכוזים 0 משני צידי הממברנה שמתקיים במתח הבטריה שלו. הכא"מ הוא הפרש הפוטנציאלים בין המצןי – מתח הממברנה והרצוי – בטריית היון. הכא"מ הוא שקובע את כיוון הזרם. אם מתח הממברנה שווה לבטריה אז הכא"מ יתאפס ולא תהיה זרימה של היון. אם מתח הבטריה נמוך ממתח המנוחה אז הכא"ם יהיה חיובי ולכן יהיה זרם חיובי. בהתאם, אם מתח הבטריה גבוה ממתח המנוחה אז הכא"ם יהיה שלילי ולכן כיוון הזרם יהיה שלילי. הכא"מ גם משפיע על עוצמת הזרם - הפרש גדול = יותר זרם. נבדוק לדוגמה את זרם האשלגן : ערך אופייני של בטריית האשלגן הוא -75mV - . ערך אופייני למתח מנוחה הוא -60mV. נציב בנוסחא ונקבל שהזרם חיובי. כנ"ל נתרן ב 55mV. להשוות ל-100 או -100. נציב: Vm = -60mv, Ek = -100mv, ENa = +100mv הפרש Vm - Ei גדול יותר זרם גדול יותר

חישוב מתח הממברנה בש"מ הזרם הכולל בתא = סך הזרמים במערכת * במצב עומד (למשל במנוחה), הזרם הכולל = 0 הזרם הכולל בתא = סך הזרמים במערכת הקבל טעון ולכן :Ic = 0 * * תמיד מתקיים: gl = gl משוואת גולדמן (משוואת המוליכויות) הזרם הכולל דרך הממברנה מורכב מזרם נגדי וקבלי. אנחנו עוסקים רק במצב של ש"מ , כלומר המתח לא משתנה כפונקציה של הזמן. במצב זה, הנקרא מצב עומד סך כל הזרמים בתא שווה לאפס. בנוסף,הזרם הקבלי מתאפס כיוון שאין פריקה או טעינה של הקבל בזמן אינסופי. הזרם הנגדי הכולל מורכב מכל זרמי היונים שעוברים דרך הממברנה ובמצב עמיד שווה לאפס. נציב את משוואת הזרם עבור כל אחת מהתעלות – התעלה תלויית המתח של הנתרן, של האשלגן והתעלות הפאסיביות, שגם דרכן זורמים נתרן ואשלגן. בשיווי משקל ניתן להשתמש במשוואת גולדמן המתארת את מתח הממברנה. ש"מ מתקיים למשל במנוחה. חייביפ ש"מ בשביל להשתמש בגולדמן כי הזרם הכולל מוכרח להתאפס. בפתיחת הסוגריים והעברת אגפים נקבל את התלות של מתח הממברנה במצב עומד במוליכויות והבטריות של כל סוגי התעלות בממברנה. מכיוון שהנחנו שהממברנה חדירה רק ליוני אשלגן ונתרן אנחנו רואים כאן רק תעלות אלה. במקרה הכללי, משוואת גולדמן היא סכום המכפלות של כל מוליכות עם הבטריה של היון שלה לחלק בסכום כל המוליכויות.

כל שער יכול להיות פתוח (1) או סגור (0) Hodgkin & Huxley מודל השערים של K+ Na+ כל שער יכול להיות פתוח (1) או סגור (0) הסיכוי ששער אחד יהיה פתוח 0 1 m, h n הסיכוי שתעלה אחת תהיה פתוחה m3h n4 gk= gkn4 gNa= gNam3h מוליכות ליון בעקבות דפולריזציה נפתחים -m נסגרים,-h נפתחים -n בתקופתם של הודג'קין והאקסלי לא ניתן היה למדוד זרם בתעלה בודדת כפי שעושים היום והמודל שהם כתבו תאר תעלות בודדות בהסתמך על מדידות מכל התעלות יחד. הודג'קין והאקסלי שיערו שמוליכויות היונים משקפות תכונות פיסיקליות של התעלות ואכן בסופו של דבר התגלו מבנים דומים לאלה שתוארו במודל. הייחוד בעבודתם הוא גישור בין מבנים מולקולריים לפעילות חשמלית. כל תעלה מורכבת מארבעה שערים עפ"י המודל. נמצא שהקירוב הטוב ביותר לתוצאות הנסיוניות הוא כזה שתעלת האשלגן מורכבת מארבעה שערי אקטיבציה זהים, n, ותעלת הנתרן מורכבת משלושה שערי אקטיבציה זהים,m, ושער נוסף של אינאקטיבציה, h. כל שער מקבל ערך 0 או 1 שמתאר אם השער סגור או פתוח. במודל, הפרמטר n, שמבטא כמה מהשערים בכל תעלות האשלגן פתוחים, מקבל ערך בין 0 ל-1. ניתן לקרוא לכך פרקציית השערים הפתוחים ומבחינה סטטיסטית הפרמטר מבטא בעצם את מידת הפתיחה של כל התעלות. בהתאם, הפרמטר m מבטא את פרקציית השערים הכחולים הפתוחים בתעלות הנתרן ו-h מודד את מידת פתיחת השער התכלת בכל התעלות. כדי שתעלה תהיה פתוחה, כל השערים צריכים להיפתח. לכן כשמודדים כמה מהתעלות בממברנה פתוחות, יש להעלות את n ברביעית ואת m בשלישית. אם כן, n4 מבטא את פרקציית תעלות האשלגן הפתוחות ואילו m3h מבטא את פרקציית תעלות הנתרן הפתוחות. כעת נחשב את מוליכות הממברנה לכל יון. מוליכותה ליון האשלגן שווה למוליכות המקסימלית של היון, כלומר סך כל תעלות האשלגן שקיימות בממברנה כפול פרקציית התעלות הפתוחות. כך גם לגבי הנתרן. הפרמטרים n,m,hתלויים במתח. בעת עליה במתח התא - דפולריזציה - נפתחים שערי m,n ולכן הם נקראים שערי אקטיבציה. לעומת זאת שער h נסגר והוא נקרא לכן שער אינאקטיבציה. בעת ירידה במתח התא –רפו' – מתרחש התהליך ההפוך: m נסגר ואילו h נפתח. בהיפרפו' נסגר שער n לכאורה תעלת הנתרן אף פעם לא תהיה פתוחה כי h ו-m לא פתוחים בו זמנית ואמרנו שהם חייבים להיפתח יחד. חוץ מזה אם n ו-m פתוחים בו זמנית זרם האשלגן והנתרן יבטלו זה את זה. אז איך יהיה פ"פ? הפתרון הוא בקינטיקה. לשערים יש קינטיקה שונה: שערי m הם מהירים. כלומר כשיש דפו' שערים אלה נפתחים במהירות וברפו' הם נסגרים במהירות. לעומת זאת שערי n,h הם בעלי קינטיקה איטית. כך מספיק להיווצר זרם בכל זאת. נראה כל זאת בתוכנה. בעקבות ירידת מתח הממברנה נסגרים-mנפתחים, -h נסגרים -n קינטיקה מהיר-mאיטי, -h איטי -n

דפולריזציה דפולריזציה רפולריזציה INa gNa gk Ik זרם החוצה Vm Vm gNa h gNa סגירת INa זרם פנימה gNa m פתיחת Vm משוב חיובי מהיר דפולריזציה פתיחת gk n Ik זרם החוצה כדי להבין איך מתפתח פ"פ, בואו נראה למה גורמת דפולריזציה באקסון. כמו שאמרנו, דפו' גורמת לפתיחת שערי m. כלומר נפתחות תעלות נתרן תלויות מתח = מוליכות הנתרן עולה. משום שבטריית הנתרן היא במתח גבוה יותר ממתח המנוחה, נוצר כוח מניע חיובי שגורם ליוני נתרן לזרום לתוך התא. כתוצאה מכך עולה המתח באקסון ולכן נפתחות עוד תעלות נתרן. תופעה זו נקראת משוב חיובי משום שמעט עליה במתח התא תגרור עליה חזקה יותר במתח = פתיחת חלק מתעלות הנתרן גרמה לפתיחת תעלות נתרן נוספות. במקביל נפתחים שערי n. כלומר נפתחות תעלות אשלגן תלויות מתח = מוליכות האשלגן עולה. משום שבטריית האשלגן היא במתח נמוך יותר ממתח המנוחה, נוצר כוח מניע שלילי שגורם ליוני האשלגן לזרום אל מחוץ לתא. אזכיר שהקינטיקה שלהם איטית ולכן פתיחת השערים מתרחשת מאוחר יותר. לכן זרם אשלגן החוצה מתחיל אחרי זרם הנתרן המהיר. כתוצאה מכך מתח התא יתחיל לרדת רק אחרי עלייתו (להראות על הספייק מימין). תהליך זה הוא משוב שלילי, משום שעליה במתח התא גורמת לזרם יונים חיוביים החוצה ולכן לירידה במתח התא. במקביל, בתהליך איטי, שער ה-h נסגר בעקבות הדפולריזציה. סגירתו נקראת אינאקטיבציה של תעלת הנתרן והיא מורידה את המוליכות לנתרן. הירידה במתח בעת הרפולריזציה, אם כן, נגרמת מפתיחת n (זרם האשלגן החוצה מתגבר) ומסגירת h (זרם הנתרן פנימה נחלש). Vm דפולריזציה רפולריזציה

שלבי פוטנציאל הפעולה - תעלות ושערים פתיחת תעלות נתרן נוספות שערי m נפתחים שערי h מתחילים להיסגר, שערי n מתחילים להיפתח פתיחת תעלות נתרן שערי m סגורים, שערי h,n פתוחים חלקית פתיחת תעלות אשלגן (שערי n נפתחים) תגובה פסיבית סגירת תעלות נתרן - סגירת שערי m,h היפרפולריזציה דפולריזציה סגירת תעלות אשלגן שערי n נסגרים, שערי h נפתחים רפולריזציה

התקופה הרפרקטורית תק' רפרקטורית יחסית: יש אפשרות ליצור פ"פ בעזרת גירוי מספיק חזק תק' רפרקטורית מוחלטת: אין אפשרות ליצור פ"פ