Radmila Kovačević, Tatjana Kostić, Silvana Andrić, Sonja Zorić

OPŠTA FIZIOLOGIJA ŽIVOTINJAskripta za studente biologije

Univerzitet u Novom SaduPrirodno-matematički fakultetDepartman za biologiju i ekologiju

FREE COPY / BESPLATAN PRIMERAK

Novi Sad, 2005.

Foto:Karin Pierre, Institut de Physiologie, UNIL, Lausanne.

OPŠTA FIZIOLOGIJA ŽIVOTINJA

Sadržaj1. FUNKCIONALNA ORGANIZACIJAMEMBRANE 71.1. Struktura membrane, funkcije membrane 71.2.Transporti kroz membranu 91.2.1. Pasivni transporti: difuzija, transport kroz jonske kanale i olakšana difuzija 9 Difuzija 9 Donanova ravnoteža 10 Jonski kanali 12 Olakšana difuzija 131.2.2. Aktivan transport 141.2.3. Jonski gradijenti kao izvor ćelijske energije 161.2.4 Osmoza: pasivan transport vode kroz membranu 16 Osmolalna koncentracija plazme – toničnost 171.3. Endocitoza i egzocitoza 181.4. Homeostaza 19

2. NERVNA ĆELIJA 212.1. Morfologija neurona 222.1.1. Aksoplazmatski transport 242.1.2.Neurotrofini 252.1.3. Glija ćelije 252.2. Membranski potencijal 262.2.1. Stimulus i nadražljivost 262.2.2. Pasivni jonski kanali i membranski potencijal mirovanja 262.2.3. Membranski potencijal glija ćelija 272.2.4. Membranski potencijal mirovanja neurona 282.2.5. Promene u koncentraciji jona menjaju membranski potencijal mirovanja 292.3. Lokalni signali: pasivna električna svojstva membrane neurona 292.3.1 Fizički model membrane 292.3.2. Izračunavanje membranskog potencijala u modelu ekvivalentnog kola 302.3.3. Pasivne promene membranskog potencijala, elektrotonični potencijali 312.3.4. Prostorna i vremenska konstanta 322.3.5. Lokalni signali u okviru nervnog sistema 332.4. Prostirući signali: akcioni potencijal 332.4.1. Karakteristike i registrovanje akcionog potencijala 332.4.2. Hočkin-Hakslijevi ogledi – jonska baza akcionog potencijala 362.4.3. Voltažno-zavisni jonski kanali 412.4.4. Mehanizam prostiranja akcionog potencijala 432.4.5. Faktori koji utiču na brzinu prostiranja akcionog potencijala 452.4.6. Složeni akcioni potencijal nerva i Erlanger-Gaserova klasifikacija 45

3. MIŠIĆI 473.1. Skeletni mišić 483.1.1. Organizacija mišićnog vlakna, kontraktilni proteini 483.1.2. Molekulska osnova mišićne kontrakcije 503.1.3. Akcioni potencijal skeletnog mišićnog vlakna 523.1.4. Sprega izmedju električne i mehaničke aktivnosti mišića 523.1.5. Mehaničke osobine mišića, vremenska korelacija električne i mehaničke aktivnosti 523.1.6. Vrste kontrakcija 543.1.7. Odnos između dužine mišića i izometričnog napona 563.1.8. Odnos opterećenja i brzine skraćenja, rad mišića 563.1.9. Sumacija kontrakcija 573.1.10. Zamor mišića 583.1.11. Klasifikacija mišićnih vlakana 583.1.12. Motorna jedinica i neke osobine mišića u organizmu 583.1.13. Izvori energije za mišićnu kontrakciju 593.2. Srčana muskulatura 593.2.1. Morfologija 593.2.2. Nodalno tkivo, sistem za provodjenje akcionog potencijala u srcu 603.2.3. Jonska osnova prepotencijala 613.2.4. Faktori koji utiču na karakteristike prepotencijala 623.2.5. Akcioni potencijal sa platoom 633.2.6. Elektrokardiogram 643.2.7. Mehanički odgovor, odsustvo sumacije, ekstrasistola 653.2.8. Odnos izmedju dužine mišićnih vlakana i napona 663.3. Glatka muskulatura 663.3.1. Morfologija 673.3.2. Molekulska osnova kontrakcije 673.3.3. Električna i mehanička aktivnost 673.3.4. Faktori koji utiču na viscelarnu muskulaturu 68

4. SINAPTIČKA TRANSMISIJA 714.1. Hemijske sinapse 724.1.1. Funkcionalna anatomija pre- i post-sinaptičkih struktura 724.1.2. Sekvenca dogadjaja tokom transmisije 734.1.3. Ekscitatorne sinapse 744.1.4. Inhibitorne sinapse 754.1.5. Elektrogeneza akcionog potencijala u postsinaptičkom neuronu 764.1.6. Zavisnost amplitude PSP od vrednosti membranskog potencijala postsinaptičke membrane 774.1.7. Faktori koji utiču na oslobadjanje neurotransmitera 784.2.Neurotransmiteri 804.2.1. Receptori 804.2.2. Uklanjanje neurotransmitera iz sinapse 814.2.3. Primeri neurotransmitera 82

Acetilholin 82 Norepinefrin i epinefrin 82 Dopamin 83 Histamin 83 Serotonin 84 Ekscitatorne AK: glutamat i aspartat 84 Glicin 85 GABA 85 Supstanca P i drugi tahikini 85 Opioidni peptidi 85 Drugi polipeptidi 85 ATP i adenozin 85 Azot oksid(NO) 86 Prostaglandini 86 Pojam kotransmitera 864.3.Neuromuskularna veza 864.3.1. Sekvenca dogadjaja tokom transmisije signala u neuromuskularnoj vezi 874.3.2. Potencijal motorne ploče 874.3.3. Ogledi Kloda Bernara 884.3.4. Blokatori neuromuskularne veze 894.3.5. Autoimune bolesti u vezi sa neuromuskularnom vezom 894.4. Nervni završeci u glatkom i srčanom mišiću 89

5. PERCEPCIJA, RECEPTORI 915.1. Kategorizacija receptora 925.2. Mehanizam transdukcije, generatorski potencijal 935.3. Kodiranje senzorne informacije 945.3.1. Modalitet 945.3.2. Intenzitet 955.3.3. Trajanje stimulusa, adaptacija receptora, tonički i fazni receptori 955.3.4. Lokacija 96

6. FUNKCIONALNA ORGANIZACIJA NERVNOG SISTEMA 976.1.Refleksni luk 976.2. Neuronske mreže 986.2.1. Zona okidanja, facilitacija, sumacija i okluzija 986.2.2. Konvergencija i divergencija 996.2.3. Paralelne veze i reverberantni krugovi 1006.2.4. Spontana aktivnost centralnih neurona 1006.2.5. Tipovi inhibicije u centralnom nervnom sistemu 1016.3. Refleksi: klasifikacija 1026.4. Monosinaptički refleksi: refleks na istezanje 1026.4.1. Mišićno vreteno 1036.4.2. Gama-eferentno odašiljanje 103

6.4.3. Obrnuti refleks na istezanje 1046.4.4. Mišićni tonus 1046.5. Polisinaptički refleksi 1046.5.1. Spinalni šok 1046.5.2. Refleks izbegavanja, refleks fleksije 1056.5.3. Refleks ukrštene ekstenzije 1066.5.4. Refleks iradijacije 1066.5.5. Refleks generalizacije i refleks koordinacije 1066.6. Fenomen odskoka 1066.7. Centralni program i ritmička aktivacija ekstremiteta 107

7. RECEPTORI U KOŽI 1097.1. Mehanoreceptori, receptori za bol, termoreceptori 1107.2. Proprioreceptori, ushodni putevi 112

8. ČULO VIDA 1158.1. Organizacija retine, nervni putevi 1168.2. Mehanizam transdukcije u fotoreceptorima 1178.2.1. Formiranje slike u retini 1208.2.2. Obrada vizuelne informacije, bipolarne i ganglijske ćelije 1218.2.3. Karakteristike neuronske organizacije retine 1218.2.4. Prenos informacija od ganglijskih ćelija 1228.3.Kolorno vidjenje 122

9. ČULO SLUHA I RAVNOTEŽE 1259.1. Čulo sluha 1259.1.1. Trepljaste ćelije, mehanizam transdukcije 1269.1.2. Kodiranje frekvence i jačine zvuka 1279.1.3. Nervni putevi 1279.2. Čulo ravnoteže 1289.2.1. Funkcija vestibularnih trepljastih ćelija 1289.2.2. Centralni nervni putevi 128

10. ČULO UKUSA I ČULO MIRISA 13110.1. Senzacija mirisa, mehanizam transdukcije 13110.2. Nervni putevi 13210.3. Senzacija ukusa, mehanizam transdukcije 13310.4. Centralni nervni putevi 134

11. KONTROLA STAVA TELA I POKRETA 13511.1. Opšti principi 13511.2. Eferentni putevi iz moždanog stabla i korteksa 13611.3. Kičmena moždina 13611.4. Uloga produžene moždine 13711.5. Uloga mezencefalona 13711.6. Uloga kortikalne komponente 138

11.7. Uloga bazalnih ganglija 13811.8. Uloga malog mozga 139

12. BUDNO STANJE, SPAVANJE, ELEKTRIČNAAKTIVNOST MOZGA 14112.1. Talamus, kortikalna organizacija, retikularna formacija 14112.2. Elektroencefalogram 14312.3. Faze spavanja 143

13. VEGETATIVNI NERVNI SISTEM 14713.1. Funkcionalna organizacija: simpatička i parasimpatička komponenta 14713.2. Hemijska transmisija u autonomnim ganglijama 14913.3. Dvojna inervacija efektornih organa 15013.4. Simpatiko-adrenalna aktivacija 151

14. CENTRALNA REGULACIJA VISCELARNIH FUNKCIJA 15314.1. Funkcije produžene moždine 15314.1.1. Kontrola respiracije 153 Automatski centar 154 Hemijska kontrola disanja 155 Refleksna kontrola disanja 15614.1.2. Kardiovaskularna regulacija 156 Periferni i sistemski vazodilatatori i vazokonstriktori 156 Vazomotorni centar 157 Refleksna regulacija, baroreceptori 158 Regulacija srčanog rada 158 Simpatikovazodilatatororni sistem 15814.1.3. Zaštitni i alimentarni refleksi 15914.2. Funkcionalna organizacija hipotalamusa 15914.3. Vegetativne funkcije hipotalamusa 16014.3.1. Kontrola uzimanja hrane 16014.3.2. Kontrola uzimanja vode 16214.3.3. Termoregulacija 162

15. NERVNA OSNOVA INSTINKTIVNOG PONAŠANJA I EMOCIJA 16515.1. Limbički sistem 16515.2. Seksualno ponašanje 16615.3. Afektivno-odbrambeno ponašanje: strah i bes 16715.4. Motivacije i zavisnosti 16715.5. Neurotransmiteri mozga i ponašanje 168 Serotonin 168 Norepinefrin 169 Dopamin 169

Acetilholin 169 Endogeni opioidi 169

16. NEUROFIZIOLOŠKA OSNOVA UČENJA I PAMĆENJA 17116.1. Učenje i memorija 17116.2. Molekulska osnova učenja i memorije 173

17. OPŠTI PRINCIPI ENDOKRINE REGULACIJE 17717.1. Hipotalamo-hipofizni sistem 17917.1.2. Hipotalamični hormoni 18017.2. Regulacija produkcije adenohipofiznih hormona 18117.2.1. Hormon rasta 18117.2.2. Tireostimulirajući hormon 18217.2.3. Adrenokortikotropni hormon 18317.2.4. Gonadotropni hormoni 184 Menstrualni i estrusni ciklus 184 Hipotalamo-hipofizno-testikularni sistem 18617.2.5. Prolaktin 187

Predgovor

Ova skripta su rezultat realizacije projekta finansiranog od strane WUS-Austrija u okviru programa CDP+ (Course Development Program) za predmet Opšta fiziologija životinja za studente biologije Prirodno-matematičkog fakulteta u Novom Sadu. Deo teksta u okviru ovih skripti preuzet je, uz određene izmene, iz praktikuma iz Opšte fiziologije životinja koji smo objavili 1997. godine.

Sadržaj skripti zajedno sa prezentacijama za predavanja koja će dobiti svaki student na početku kursa predstavljaju osnov za savlađivanje predviđenog programa kursa. Skripta su napisana vrlo koncizno, tako da je za uspešno ovladavanje sadržajima koji se obrađuju u okviru predmeta Opšta fiziologija životinja, neophodno da studenti aktivno učestvuju na predavanjima, i da za određene sadržaje koriste dodatnu literaturu.

Autori

11.1. Struktura membrane, funkcije membrane

Ćelijska membrana (plazmalema, plazma membrana ) je zajednička komponenta svih ćelija. To je selektivna barijera koja formira granicu izmedju odeljaka različite kompozicije. Sastoji se od lipida, proteina i šećera vezanih za lipide i proteine sa ekstracelularne (E) strane membrane. Lipidi membrane spadaju u složene lipide kao što su fosfolipidi i glikolipidi. Imaju hidrofilni, polarni ili naelektrisani deo molekule i hidrofobni deo molekule koji je predstavljen ostacima masnih kiselina (jedna zasićena i jedna nezasićena masna kiselina, a kod sfingolipida, nezasićeni alkohol sfingozin). Lipidi se u vodenoj sredini orijentišu tako da hidrofilni deo molekule bude okrenut prema vodi, a hidrofobni delovi se „skrivaju” od vode. Takva organizacija rezultira u membrani formiranjem bimolekulskog sloja koji

predstavlja barijeru izmedju intracelularne tečnosti (ICT) i ekstracelularne tečnosti (ECT). Prisustvo nezasićenih masnih kiselina u hidrofobnom delu lipidnih molekula obezbedjuje fluidnost membrane. Pored navedenih lipida u membranama sisara značajan udeo ima i holesterol. Holesterol se pruža od hidrofilnih glava fosfolipida u centralni deo lipidnog dvosloja i povećava nepropustljivost membrane za male hidrofilne molekule i povećava njenu viskoznost. Istovremeno, holesterol sprečava veće promene u fluidnosti membrane pri promenama temperature, pa se kaže da predstavlja pufer koji stabilizuje fluidnost lipidnog dvosloja. Membranski proteini su mozaično rasporedjeni u membrani i mogu da budu integralni ili periferno raspoređeni proteini. Periferni proteini su povezani sa integralnim proteinima ili hidrofilnim glavama lipida. Mogu da se uklone bez narušavanja integriteta membrane. Integralni proteini su vezani za fosfolipide i mogu da se uklone iz membrane samo dejstvom deterdženata ili drugim metodama koje rastvaraju lipidni dvosloj. Kod

Poglavlje 1.

FUNKCIONALNA ORGANIZACIJAMEMBRANE

velikog broja integralnih proteina polipeptidni lanac se sedam puta proteže s jedne na drugu stranu membrane, odnosno ima sedam transmembranskih (TM) segmenata (S1-S7). Manji broj proteina ima nekoliko, ili samo jedan TM segment, mada ima proteina i sa dvanaest i više TM segmenata. N-kraj lanca može da formira ekstracelularni domen, a C-kraj intracelularni, kao na primer kod G-protein-zavisnih receptora. Kada su u pitanju jonski kanali i nosači, kod najvećeg broja proteina oba kraja polipeptidnog lanca postavljena su intracelularno. Zahvaljujući fluidnosti membrane, proteini mogu kroz nju lateralno da se pomeraju, a to kretanje uslovljeno je vlaknima citoskeleta koja se nalaze neposredno ispod membrane. S druge strane, neki proteini su imobilisani i pričvršćeni za proteinske molekule citoskeleta. Kontrola kretanja membranskih proteina od strane citoskeleta, omogućava ćeliji da razvije polarnost, odnosno da raspoređivanjem različitih proteina u odgovarajuće delove membrane obezbedi različitu funkciju apikalnom i bazalnom delu ćelije.

Sl. 1. Šematski prikaz tečno-mozaičnog modela membrane

Membranski proteini funkcionišu kao: (a) strukturni elementi; (b) enzimi; (c) receptori; (d) nosači i kanali. Strukturni proteini imaju tri funkcije. Prva je da povežu

membranu sa citoskeletom što je važno za oblik ćelije. Druga funkcija je formiranje ćelijskih veza, kao što su tesne veze, dezmozomi i neksusi. Treće, membranski proteini omogućavaju vezivanje ćelije za spoljašnji matriks, i povezivanje sa ekstracelularnim kolagenom i drugim proteinskim vlaknima. Membranski enzimi katališu hemijske reakcije koje se odigravaju sa E-strane membrane, ili pak unutar citoplazme neposredno uz membranu. Tako na primer, enzimi epitelijalnih ćelija creva, locirani u delu membrane prema lumenu, katališu digestiju peptida i oligosaharida. Receptorni proteini učestvuju u hemijskoj komunikaciji među ćelijama. Svaki receptor je specifičan za odredjeni ligand ili familiju sličnih signalnih molekula. Nosači i kanali omogućavaju transport materija kroz membranu. Kanali formiraju poru koja direktno povezuje ekstracelularni i intracelularni prostor. Nosači vezuju molekul (supstrat) koji treba da prenesu, ali nikada se ne „otvaraju” na obe strane istovremeno kao što je slučaj sa kanalskim proteinima.

Model fluidnog mozaika Singera i Nikolsona (Singer i Nicolson, 1972) predstavlja najprihvatljiviji model molekularnog poretka membrane (Sl. 1). Membrana je asimetrična, jer je različit sastav lipida u spoljašnjem i unutrašnjem delu bimolekulskog sloja, a šećerna komponenta se nalazi samo sa E-strane membrane. Membrane mitohondrija, nukleusa, endoplazmatskog retikuluma i drugih ćelijskih organela imaju strukturu sličnu plazma membrani, a razlikuje se procentualni udeo pojedinih komponenti. Dok je u plazma membrani eritrocita zastupljeno 49% proteina, 43% lipida i 8% šećera, u membrani mijelinskog omotača oko neurona 18% proteina, 79% lipida i 3% šećera, u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani ima 76% proteina, 24% lipida i 0% šećera. Ovako različita zastupljenost proteina govori o funkcijama koje pojedine membrane datih ćelija imaju. Unutrašnja mitohondrijalna membrana sadrži članove respiratornog niza, ATP-sintazu, kao i mnoštvo proteinskih nosača, dok membrana mijelinskog omotača

služi kao izolator prolasku jona kroz membranu i sadrži veoma mali broj jonskih kanala i drugih proteina.

Bimolekulski sloj lipida propustljiv je za gasove, i nepolarni molekuli kao O2 i N2, ili mali nenaelektrisani molekul CO2, difunduju vrlo lako. Etanol takođe prolazi kroz membranu difuzijom. Konstanta propustljivosti (P) za ureu iznosi 0.0002 cm/sek, a za dietilureu 0.01 cm/sek, što ilustruje kako prisustvo hidrofobne grupe povećava propustljivost membrane. Molekuli vode takođe mogu da prođu kroz lipidni dvosloj ali sporije, a konstanta propustljivosti za vodu iznosi 0.01 cm/sek. U plazma membrani najvećeg broja ćelija postoje kanali za vodu (akvaporini), odnosno integralni proteini koji formiraju hidrofilni put kroz membranu što omogućava difuziju vode velikom brzinom. U slučaju intenzivnog transporta vode, kao u bubrežnim kanalićima, broj akvaporina po jedinici površine membrane može da bude pod kontrolom odredjenih signalih molekula, te se na taj način kontroliše prolaz vode kroz membranu (videti poglavlje 17). Propustljivost za ostale supstance zavisi od njihove veličine, rastvorljivosti u lipidima i naelektrisanja. Tako je difuzija polarnih nenaelektrisanih molekula kao što je glukoza, ili naelektrisanih kao što su joni vrlo spora. Medjutim, joni, glukoza i drugi molekuli koriste jonske kanale i druge transportne proteine za prolaz kroz membranu.

1.2. Transporti kroz membranu

Transport materija kroz membranu može da se grupiše u dve osnovne kategorije: transporti u kojima se ne troši energija, označavaju se i kao pasivni transporti, i aktivni transport koji podrazumeva utrošak energije. U prvu grupu ulaze: difuzija kroz lipidni sloj, transport kroz jonske kanale i transport pomoću nosača koji se označava kao olakšana difuzija. U zavisnosti od toga koliko vrsta

molekula i u kom smeru se prenosi, transporti sa nosačem mogu da budu: (a) uniport – prenosi se jedna supstanca; (b) simport – prenose se dve supstance u istom smeru; (c) antiport – prenose se dve supstance u suprotnom smeru. Ovi nazivi koriste se i za opis rada jonskih pumpi (videti kasnije).

Aktivan transport je proces u kome se molekuli prenose sa mesta manje na mesto veće koncentracije, odnosno nasuprot gradijentu koncentracije (hemijskom gradijentu). Energija za aktivni transport dobija se od ATP. Aktivan transport može da se podeli na: primarni aktivan transport u kome se direktno koristi energija ATP i sekundarni aktivan transport u kome se kao izvor energije koristi hemijski gradijent za dati jon (jonski gradijent). Treba naglasiti da se hemijski gradijent za određeni jon formira najčešće radom jonske pumpe koja troši ATP (videti kasnije).

1.2.1. Pasivni transporti: difuzija, transport kroz jonske kanale i olakšana difuzija

DifuzijaDifuzija je medjusobno mešanje molekula dvaju ili više tela kroz dodirnu površinu tih tela. Kod gasova i tečnosti uzrok difuzije je termičko kretanje molekula, jona i koloidnih čestica, a kod čvrstih tela medjusobno izmenjivanje mesta molekula u prostornoj rešetki. U rastvoru čestice (molekuli i joni) rastvorene supstance neprekidno se kreću u svim pravcima u težnji da zauzmu čitav raspoloživ prostor. Veći broj čestica kreće se u pravcu manje koncentracije tj. postoji neto-kretanje iz oblasti veće u oblast manje koncentracije rastvorene supstance tj. u smeru hemijskog gradijenta.

Difuzija se kvantitativno izražava Fikovim (Fick) zakonom. Prema ovom zakonu količina supstance koja difunduje kroz graničnu površinu S, direktno je

10 11

proporcionalna hemijskom gradijentu na toj površini. Odnosno:

(1)

gde je D- difuziona konstanta (zavisi od koncentracije rastvorene supstance, rastvarača i od temperature); dm/dt - brzina transporta, tj. količina supstance (u molima) koja difunduje u vremenu t; dc/dx – gradijent koncentracije, gde je c koncentracija, a x jedinična dužina normalna na ravan u kojoj leži S; znak - označava smer neto-difuzije. Prema tome, količina supstance m koja difunduje u vremenu dt, tj. brzina difuzije jednaka je proizvodu iz D, S i hemijskog gradijenta. Prilikom procesa difuzije u svakoj tački raspoloživog prostora koncentracija se neprestano menja u funkciji vemena; prema tome menja se neprekidno i vrednost hemijskog gradijenta. Da bi se izračunala količina supstance koja se transportuje sa jednog na drugo mesto u bilo kom vremenu mora se rešiti gornja jednačina. Informacija o brzini difuzije neke supstance može se dobiti na osnovu eksperimentalnog odredjivanja vrednosti D za datu supstancu. Za eksperimentalno nalaženje difuzione konstante uslovi se standardizuju, pa se dm/dt definiše kao broj molova supstance koja difunduje u 1 sekundi kroz površinu od 1 cm2, i označava se sa F. F predstavlja protok (fluks), odnosno protok materije kroz jediničnu površinu u jedinici vremena, a ima dimenzije mol/sec. Izraz dc/dx može da se zameni sa (c1-c2)/x, gde su c1 i c2 koncentracije rastvorene supstance u beskonačno maloj zapremini granične površine 1 i 2, koje su paralelne jedna drugoj i nalaze se na rastojanju x. Izraz (c1-c2)/x predstavlja jedinični hemijski gradijent, odnosno količnik jedinične koncentracije (dimenzije: mol/cm3) i jediničnog puta (dimenzije: cm). Na osnovu toga dobija se jednačina (2):

(2)

Difuzija je vrlo spor proces. Ona postaje značajna u prostoru gde je površina kroz koju se difuzija vrši mnogo veća u odnosu na rastojanje na kome se neto kretanje dešava. U odnosu na dimenzije jedne ćelije, ili manje biološke sisteme, difuzija je brz i bitan mehanizam transporta. Difuzija kroz membranu je od ogromnog fiziološkog značaja. Ona se ne dešava samo kroz ćelijsku membranu, nego i kroz membranske strukture unutar ćelije, kroz kapilarni zid itd. Neto-kretanje, difuzija kroz membranu debljine d može da se opiše jednačinom (3), gde D/d predstavlja konstantu propustljivosti (P). Vrednosti difuzione konstante i konstante propustljivosti zavise od temperature.

(3)

Difuzija zavisi od veličine čestica, rastojanja na kome se vrši, površine kroz koju se vrši, temperature, hemijskog gradijenta, propustljivosti i naelektrisanja membrane, kao i naelektrisanja čestica koje difunduju.

Donanova ravnotežaDifuzija difuzibilnih jona kroz membranu zavisi od prisustva nedifuzibilnih anjona sa jedne strane membrane. U odsustvu drugih sila, u takvom sistemu uspostavlja se ravnoteža pri kojoj je neravnomeran raspored difuzibilnih jona uravnotežen odgovarajućim električnim gradijentom za svaki jon, odnosno pojavom potencijalne razlike na membrani. Naime, ukoliko pre uspostavljanja ravnoteže u levom odeljku ima 100 mM natrijum-proteinata, a u desnom odeljku 100 mM NaCl razdvojenih polupropustljivom membranom koja je nepropustljiva za anjone proteina, dok Na+ i Cl- mogu da difunduju kroz membranu, onda će zbog razlike u koncentraciji Cl- doći do povećanog kretanja jona Cl- u levi odeljak (Sl. 2). Radi održanja električne neutralnosti u svakom odeljku, kretanje jona Cl- biće praćeno odgovarajućim kretanjem Na+ jona. U jednom momentu doći će do uspostavljanja ravnoteže (neto

difuzija jona jednaka nuli). Na membrani će se uspostaviti električni gradijent. Uspostavljena razlika potencijala na membrani za svaki jon biće uravnotežena hemijskim gradijentom za dati jon. Ova ravnoteža rezultat je dvaju suprotnih tendencija: težnje za izjednačavanjem koncentracije difuzibilnih jona sa obe strane membrane, što bi vodilo gubitku elektroneutralnosti svake sredine, i težnje za održanjem elektroneutralnosti svake sredine. Potencijalna razlika na membrani (označena kao ravnotežni potencijal za dati jon) predstavlja lokalnu akumulaciju pozitivnog i negativnog naelektrisanja razdvojenog membranom; ova lokalna akumulacija rezultat je tendencije difuzibilnih katjona da se kreću u odeljak 2 zbog svoje veće koncentracije u odeljku 1; suprotno važi za difuzibilne anjone, pa su zbog toga ravnotežni potencijali za anjone i katjone paralelni. U datom primeru membrana je sa leve strane negativno naelektrisana, a sa desne strane pozitivno naelektrisana.

Vrednost ravnotežnog potencijala za dati jon može da se izračuna pomoću Nerstove (Nernst) jednačine (4):

(4)

gde je E – Nerstov potencijal, difuzioni potencijal, ravnotežni potencijal (V); R – gasna konstanta (8.314 J/mol.K); T – apsolutna temperatura (K); F – Faradejeva konstanta (96500 Culon/mol naelektrisanja); z – valenca jona; c1 i c2 – koncentracije sa obe strane membrane.

Na sl. 3 korišćenjem Nerstove jednačine izačunata je vrednost ravnotežnog potencijala za jone Cl- čije su ravnotežne koncentracije 33 mM i 67 mM, a vrednost ravnotežnog potencijala od –18 mV jednaka je vrednosti ravnotežnog potencijala za Na+.

Sl. 3. Ravnotežni potencijal

Zašto je Donanov efekat tj. Donanova ravnoteža važna za ćeliju? U ćeliji postoji velika koncentracija proteina koji su pri datom pH ćelije uglavnom prisutni kao anjoni, i za koje je plazma membrana nepropustljiva. U ektracelularnoj tečnosti (ECT), odnosno medjućelijskoj tečnosti (intersticijelna tečnost, IST) praktično nema proteina, te stoga prisustvo nedifuzibilnih anjona Sl. 2. Donanova ravnoteža

1 1

proteina u ćeliji utiče na distribuciju difuzibilnih jona i pojavu potencijalne razlike na membrani (membranskog potencijala). Ukoliko su joni na membrani rasporedjeni po Donanovoj ravnoteži, to znači da ćelija ne troši energiju za njihovu distribuciju, i da se ravnotežni potencijal za dati jon poklapa sa membranskim potencijalom date membrane, što može da se proveri korišćenjem Nernstove jednačine. Na membrani glija ćelija membranski potencijal mirovanja pokalapa se sa ravnotežnim potencijalom za K+ (videti poglavlje 2). Ukoliko se ravnotežni potencijal za dati jon ne poklapa sa membranskim potencijalom mirovanja to znači da ćelija ulaže rad (troši energiju) da bi održala dati raspored jona s jedne i druge strane membrane, tj. postojeće hemijske gradijente za svaki jon. Primer za to su membrane nervnih, mišićnih i receptornih ćelija (videti poglavlje 2, 3, 4 i 6).

Jonski kanaliJonski kanali imaju tri važne funkcije: (a) omogućavaju prolaz jona kroz membranu; (b) prepoznaju specifične jone; (c) otvaraju se i zatvaraju u odgovor na specifične električne, hemijske ili mehaničke signale. Postoje kanali specifični za katjone, i kanali specifični za anjone. Katjonski kanali mogu da budu propustljivi za katjone Na+, K+ i eventualno Ca2+ (videti poglavlje 4), ili specifični samo za jedan od tih jona. Naziv kanala određuje se prema jonu čiji prolaz omogućava. Kroz jonski kanal može da prođe i do 100 miliona jona u jednoj sekundi. Kretanje jona kroz kanal je pasivno, a smer protoka zavisi od hemijskog gradijenta za dati jon. Ono što je zadivljujuće je da su i pri tako velikoj brzini prolaska, jon-selektivni kanali vrlo specifični. Kanali se medjusobno razlikuju po mehanizmu održavanja specifičnosti. Na primer, jonski kanal za K+ sastoji se iz četiri subjedinice organizovane oko centralne pore. Svaka sadrži dva konzervisana domena koji prolaze kroz membranu u formi α-heliksa, i koji su prema konvenciji označeni sa S5 i S6. Između njih se nalazi P segment koji učestvuje u formiranju pore. Naime, on predstavlja petlju koja se

uvlači u najuži deo pore i formira tzv. selekcioni filter za jone. Kod najvećeg broja kanala postoje samo jedna «vrata» koja formira određeni segment polipeptidnog lanca u okviru transmembranskog domena. Međutim, kod nekih jonskih kanala, kao što su voltažno zavisni kanali za Na+ i Ca2+, postoje i druga «vrata» locirana intracelularno između transmembranskih segmenata i ona omogućavaju da ovi proteini budu u tri funkcionalna stanja: zatvoreno, otvoreno i inaktivisano stanje (videti kasnije).Jonski kanali se takodje dele prema tome da li su stalno ili prolazno propustljivi za jone. Takozvani kanali «bez vrata» su otvoreni najveći deo vremena i označavaju se kao pasivni jonski kanali. Druga kategorija kanala su tzv. kanali «sa vratima», tj. pore koje su najveći deo vremena zatvorene, a otvaraju se odredjenim mehanizmom karakterističnim za dati kanal. Šta kontroliše otvaranje i zatvaranje kanala? Stanje jonskog kanala najčešće zavisi od naelektrisanja membrane, pa se takvi kanali označavaju kao voltažno-zavisni jonski kanali. Najveći deo tih kanala otvara se pri depolarizaciji membrane, odnosno pri smanjenju potencijalne razlike na membrani. Kontrola može da se vrši i preko intracelularnih signalih molekula (sekundarnih glasnika, intracelularnih liganada) ili preko ekstracelularnih liganada koji služe kao neurotransmiteri. Te dve klase kanala mogu da se označe kao hemijski kontrolisani jonski kanali. Kanali čija aktivnost zavisi od intracelularnih liganada cAMP ili cGMP se označavaju kao ciklični nukleotid-zavisani jonski kanali (engleski: cycle nucleotide-dependent channels, CNG), a u slučaju ekstracelularnog liganda kao ligand-zavisni jonski kanali. Postoji dve klase tih kanala: stimulirajući katjon-selektivni receptorni kanali koji se aktiviraju acetilholinom, glutamatom, 5’hidroksitriptaminom i adenosintrifosfatom i inhibirajući anjon-selektivni receptorni kanali koji se aktiviraju gama-amino butiričnom kiselinom. Takođe, stanje kanala može da bude promenjeno i mehaničkim uticajima na membranu, i to su tzv. mehanički kontrolisani jonski

kanali. Aktivnost voltažno-zavisnih i ligand-zavisnih jonskih kanala može da bude kontrolisana i njihovom fosforilacijom, tj. aktivnošću intracelularnih kinaza, a u odgovor na stimulaciju G-protein zavisnih receptora.

Sl. 4. Metoda nametnute voltaže na delić membrane. Objašnjenje u tekstu.

Elektrofiziološka metoda nametnute voltaže na delić membrane (engleski: patch clamp) koja je uvedena u istraživanja pred kraj 70-tih godina prošlog veka omogućila je merenje jonskih struja u pojedinačnim kanalima. Autori ove metode Hamil (Hamill) i Sakman (Sakmann) dobili su za svoja istraživanja Nobelovu nagradu 1991. godine. Mikropipeta napunjena rastvorom odgovarajuće soli, čiji je vrh promera 0.5 µm priljubi se uz membranu koja se blago usisa (slika 4 A). Na taj način, samo nekoliko ili čak jedan jonski kanal naći će se u tom delu membrane. Ova mikropipeta predstavlja jednu elektrodu, dok se druga uroni u citoplazmu. Elektrode su povezane sa izvorom struje koji održava potencijal membrane na konstantnoj vrednosti, tako da se za svaki jon koji izađe ili uđe kroz membranu priljubljenu uz mikropipetu, preko druge elektrode isporuči struja suprotnog smera, tako da potencijal membrane ostaje nepromenjen. Postoji nekoliko načina merenja jonskih struja kroz delić membrane: (1) ostaje očuvana cela ćelija, i to predstavlja nametanje voltaže na delić membrane in situ (znači da se radi na nivou ćelije, a ne izolovanom delu

membrane) (slika 4 B); (2) nametanje voltaže na otkinuti deo membrane okrenut spoljašnjom stranom pipeti (slika 4 C); (3) nametanje voltaže na otkinuti deo membrane okrenut unutrašnjom stranom prema pipeti (slika 4 D). Ova metoda omogućava izučavanje karakteristika pojedinačnih kanala i protoka jona.

Olakšana difuzija

Sl. 5. Transport glukoze olakšanom difuzijom

U membrani postoje specifični nosači koji prenose određene molekule sa mesta veće na mesto manje koncentracije, što znači da transport može da se odvija u oba smera u zavisnosti od koncentracije date materije s jedne i druge strane membrane. Proteinski nosači predstavljaju kompleksne proteine sa više subjedinica, a konformacione promene koje se dešavaju tokom transporta doprinose da ovaj vid transporta bude mnogo sporiji od prolaska jona kroz kanale. Samo hiljadu do milion molekula u jednoj sekundi može da bude prenešeno kroz membranu putem nosača, u poređenju sa desetinama miliona jona u jednoj sekundi kroz otvoreni jonski kanal. Proteinski nosači funkcionišu na sledeći način. Predpostavimo da protein ima dvoja «vrata», po jedna sa obe strane membrane. Vezivanje supstrata sa jedne strane membrane izaziva konformacione promene i «zatvaranje» vrata koja su omogućila vezivanje supstrata. Nakon

1 1

kratkog tranzicionog stanja, u kome su i jedna i druga vrata «zatvorena», «otvaraju» se vrata na drugoj strani membrane i supstrat se oslobađa u drugi odeljak. Olakšana difuzija ima sledeće karakteristike: specifičnost, efekat saturacije (zasićenja) i kompeticije, a na kinetiku transporta može da se primeni Mihaelis-Mentenov model. Specifičnost znači da nosač prenosi kroz membranu samo jednu vrstu molekula ili grupu srodnih molekula. Primer za to je familija nosača za glukozu označena kao GLUT-transporteri (Sl. 5). Ovi nosači prisutni su u membranama svih ćelija u organizmu. GLUT1 je nosač prisutan u najvećem broju ćelija, GLUT2 je prisutan u ćelijama jetre i bazolateralnoj membrani epitelijalnih ćelija bubrega i tankog creva. GLUT3 prenosi glukozu u neurone, a GLUT4 se nalazi u masnom tkivu i mišićima. Transport glukoze pomoću GLUT4 zavisi od insulina, i u nedostatku ovog hormona (šećerna bolest, diabetes mellitus) glukoza ne može da se transportuje u adipocite i mišićne ćelije. Naime, nosači GLUT4 čuvaju se u intracelularnim rezervoarima-vezikulama, i nakon vezivanja insulina za specifične receptore u membrani bivaju procesom egzocitoze ugrađeni u plazma membranu. Tako se povećava broj nosača u membrani i omogućava brzo unošenje glukoze u unutrašnjost ćelije. Po prestanku dejstva insulina, deo membrane sa GLUT4 se procesom endocitoze vraća nazad u ćeliju. GLUT-nosači mogu da transportuju heksoze: glukozu, manozu, galaktozu i fruktozu, ali ne prenose disaharide, ili derivate glukoze. Znači, GLUT-nosači su specifični za heksoze prisutne u organizmu. Kompeticija je povezana sa specifičnošću. Na primer, GLUT-nosači prenose heksoze, ali svaki GLUT-nosač ima veći afinitet za jednu ili više heksoza, i tu vrstu molekula će lakše vezivati i prenositi. Ako nosač ima veći afinitet za glukozu u odnosu na galaktozu ili fruktozu, onda će transport glukoze u datu ćeliju biti brži u odnosu na ostala dva monosaharida. Drugim rečima, molekuli heksoza će međusobno kompetitovati za vezna mesta na nosaču. Kao i u slučaju enzima kompetitor može da se ponaša kao pravi kompetitivni inhibitor, odnosno da se vezuje za nosač, ali se pri tome ne transportuje kroz membranu. Primer

je maltoza koja može da se veže za GLUT-nosač, ali je velika da bi se prenela kroz membranu. Efekat saturacije zavisi od koncentracija supstrata i koncentracije nosača u plazma membrani. Pri konstantnoj koncentraciji nosača u membrani, sa povećanjem koncentracije molekula koji se prenose raste i brzina transporta do maksimalne vrednosti pri kojoj su svi nosači saturisani (zauzeti). Ugradjivanjem dodatnih nosača u membranu, ćelija može da izbegne efekte saturacije, ili pak smanjenjem broja nosača da uspori transport molekula kroz membranu. Primer transporta pomoću nosača je i transport ADP i ATP kroz unutrašnju mitohondrijalnu membranu; to je antiport sistem, jer se ADP unosi u mitohondrije, a ATP se iz mitohondrija prenosi u citosol.

1.2.2. Aktivan transport

Aktivan transport je proces u kome se molekuli prenose nasuprot koncentracijskom gradijentu, tj. sa mesta manje na mesto veće koncentracije. Aktivan transport može da se podeli na: (a) primarni aktivan transport u kome se direktno koristi energija ATP; i (b) sekundarni aktivan transport u kome se kao izvor energije koristi gradijent koncentracije jona, odnosno hemijski gradijent (jonski gradijent).

Primarni aktivan transport odvija se pomoću transmembranskih proteina (ATPaza, pumpe) koji u intracelularnom domenu sadrže jedno ili više veznih mesta za ATP. Ovi proteini ne katališu hidrolizu ATP ukoliko se istovremeno ne odvija prenos jona ili drugih molekula kroz membranu. Zbog povezanosti hidrolize ATP i transporta, energija sadržana u molekulu ATP koristi se za kretanje jona ili drugih molekula nasuprot hemijskom gradijentu. Postoji četiri osnovna tipa ovih pumpi: P-klasa; V-klasa; F-klasa; i ABC superfamilija. Na+/K+-pumpa u ćelijama viših eukariota i protonske pumpe kod biljaka, bakterija i gljiva su primer P-klase. V-klasa pumpi sreće se u membranama vakuola biljaka, kvasaca i drugih gljiva,

kao i endozomalnim i lizozomalnim membranama u životinjskoj ćeliji, zatim plazma membranama osteoklasta i nekih bubrežnih ćelija. F-klasa protonskih pumpi nalazi se u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani i učestvuje u oksidativnoj fosforilaciji, zatim u plazma membranama bakterija i tilakoidnim membranama hloroplasta. ABC superfamilija pumpi kod bakterija se koristi za transport aminokiselina, šećera i peptida; dok u plazma membrani sisara predstavlja nosače za fosfolipide, male lipofilne lekove, holesterol i druge male molekule. Primer proteina iz ABC superfamilije u sisarskim ćelijama je MDR1 protein (multidrug-resistence transport protein) koji koristi energiju ATP da iz ćelije izbaci lipofilne lekove koji difuzijom kroz lipidni dvosloj uđu u ćeliju. Takva dva leka su kolhicin i vinblastin koji blokiraju formiranje mikrotubula i na taj način blokiraju deobu ćelija. Overekspresija gena za MDR1 izaziva rezistentnost ćelije na ove lekove.

Na+/K+-pumpa (Sl. 6) je prisutna u plazma membrani životinjskih ćelija, i prosečno oko 40% od ukupne energije ćelije troše za rad ove pumpe. Pumpa se sastoji od dve subjedinice α i β, a α-subjedinica ima u ekstracelularnom domenu vezno mesto za K+, a u intracelularnom domenu vezno mesto za Na+, katalitički centar ATP-aze i mesto za autofosforilaciju. Protein može da postoji u dve konformacije, fosforilisan i defosforilisan. U defosforilisanom stanju vezno mesto za Na+ sa unutrašnje strane je aktivno i vezuju se 3 jona Na+ (Sl. 6 a). To indukuje vezivanje ATP, njegovu hidrolizu i autofosforilaciju α-subjedinice (Sl. 6 b), što ima za posledicu gubitak afiniteta za Na+ koji se izbacuje iz ćelije (Sl. 6 c) i povećanje afiniteta za K+, koji se vezuje za vezna mesta sa spoljne strane membrane (Sl. 6 d). Vezivanje K+ ima za posledicu defosforilaciju subjedinice (Sl. 6 e), što smanjuje afinitet za K+ koji se ubacuje u ćeliju (Sl. 6 f),

Sl. 6. Natrijum-kalijumova pumpa

1 1

čime se ciklus završava. Po jednoj molekuli ATP prenesu se 3 jona Na+ van ćelije, a u ćeliju ubace 2 jona K+. Na membrani sarkoplazmatskog retikuluma u mišićnim vlaknima postoji pumpa za Ca2+ koja ubacuje 2 jona Ca2+ iz citosola u sarkoplazmatski retikulum pri čemu se hidrolizuje 1 molekul ATP. Pumpa funkcioniše na sličan način kao i Na+/K+-pumpa, i postoji u dva stanja: nefosforilisano i fosforilisano stanje. U nefosforilisanom stanju vezuje dva jona Ca2+,, zatim se vezuje ATP, dolazi do autofosforilacije i promene konformacije što ima za posledicu oslobađanje Ca2+ u lumen sarkoplazmatskog retikuluma, a zatim hidrolizu fosfatne grupe i prelaz pumpe u početno nefosforilisano stanje kada je afinitet za Ca2+ jone visok. Koncentracija Ca2+ u citosolu je oko 10-7 mol/L kada je ćelija neaktivna, a može da se poveća na 10-5 mol/L kada je mišićno vlakno aktivno, dok je u lumenu endoplazmatskog retikuluma koncentracija 10-2 mol/L, odnosno 10.000 do 100.000 puta veća.

Sekundarni aktivan transport povezuje energiju jonskog gradijenta sa transportom drugih molekula ili jona nasuprot njihovom hemijskom gradijentu. Molekuli koji se prenose mogu da idu u istom smeru kroz membranu (simport) ili u suprotnom smeru (antiport). Najveći broj sekundarnih transporta bazira se na hemijskom gradijentu Na+ koji se održava radom Na+/K+-pumpe. U srčanim mišićnim ćelijama postoji antiport sistem koji ubacuje Na+ u ćeliju (niz gradijent koncentracije), a transportuje Ca2+ van ćelije (nasuprot gradijentu koncentracije). Koncentracija Ca2+ u ECT je oko 2 mol/L, dok je u citosolu koncentracija <10–7 mol/L. Tokom mišićne aktivnosti, koncentracija intracelularnog Ca2+ može da se poveća na 10-5 mol/L, ali je ona i dalje mnogo manja od ekstracelularne koncentracije, drugim rečima koncentracijski gradijent za Ca2+ na plazma membrani je vrlo veliki. Ukoliko se blokira rad Na+/K+-pumpe, blokira se i rad ovog antiport sistema, jer se na membrani smanji hemijski gradijent za Na+. Ovaj nosač prvo vezuje Na+, a promena konformacije izazvana vezivanjem ovog jona omogućava vezivanje Ca2+ i njegovo

izbacivanje van ćelije. U jednom ciklusu ubace se 3 jona Na+, a izbaci 1 jon Ca2+.

Drugi primer sekundarnog transporta je kotransport Na+ i glukoze u epitelijalne ćelije creva. Prvo se za nosač vezuje Na+ jon, a na taj način indukovana konformaciona promena molekule nosača omogućava vezivanje glukoze i njen transport zajedno sa Na+ u unutrašnjost ćelije. Iz epitelijalnih ćelija glukoza se dalje transportuje u krv preko nosača GLUT2, a Na+ joni se vraćaju nazad u lumen creva radom Na+/K+-pumpe.

1.2.3. Jonski gradijenti kao izvor ćelijske energije

Ćelija formira jonske gradijente na plazma membrani ili na intramembranskim strukturama koristeći za to energiju sadržanu u molekulu ATP, ili kao što je slučaj kod prenosa elektrona duž respiratornog niza smeštenog na unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani kod eukariota, energiju oslobodjenu u procesima oksido-redukcije. Tako formirani jonski gradijenti predstavljaju za ćeliju izvor energije koja se koristi za transport drugih čestica kroz membranu nasuprot gradijentu koncentracije (primeri sekundarnih transporta); za sintezu ATP od ADP i neorganskog fosfata, tzv. oksidativna fosforilacija u mitohondrijama (na račun hemiosmotskog protonskog gradijenta na unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani); ili pak kao izvor energije za formiranje električnih signala za prenos informacija duž membrane nervne i mišićne ćelije (videti poglavlje 2, 3 i 4).

1.2.4 Osmoza: pasivan transport vode kroz membranu

U normalnim fiziološkim uslovima sadržaj vode u ćeliji se ne menja značajno, ali može da se promeni u odredjenim ekstremnim ili patološkim uslovima. Na primer, u slučaju odredjenih vrsta disfunkcije bubrega, dolazi do zadržavanja vode u organizmu i zbog toga

se povaćava ulazak vode u ćelije i one bubre. To može da dovede do poremećaja u radu moždanih ćelija, pojave glavobolje, mučnine i povraćanja, što ukazuje da je došlo do intoksikacije vodom. S druge strane, izrazita dehidratacija organizma može da dovede do povećanog izlaženja vode iz ćelije, a to takodje može da ima negativne posledice na funkcije mozga. U normalnim uslovima nema povećanog neto-kretanja molekula vode kroz ćelijsku membranu. Transport vode kroz ćelijsku membranu predstavlja pasivan proces odnosno difuziju kroz bimolekulski lipidni sloj, ili kroz akvaporine. Obzirom da je voda kao rastvarač osnovna komponenta telesnih tečnosti, njeno kretanje kroz ćelijsku membranu predstavlja osmozu.

Polupropustljiva membrana razdvaja dva odeljka (A i B) u staklenoj cevi oblika slova U. U oba odeljka nalazi se ista zapremina vodenog rastvora glukoze, ali različitih koncentracija (A<B). Membrana je propustljiva za vodu (rastvarač), ali ne za glukozu (rastvorenu supstancu). Zbog toga će doći do kretanja vode u odeljak B, tj. u rastvor sa većom koncentracijom rastvorene supstance, odnosno u rastvor sa manjom koncentracijom vode (manji hemijski potencijal rastvarača). Ta pojava se zove osmoza. Voda će difundovati u sredinu gde joj je koncentracija manja što povećava zapreminu rastvora u odeljku B. Njegov nivo će se dizati sve dok se visina vodenog stuba u toj sredini ne poveća toliko da spreči dalje prodiranje vode. Naime, hidrostatički pritisak vodenog stuba će se uravnotežiti sa pritiskom pod kojim rastvarač prodire u membranu, odnosno sa osmotskim pritiskom. U tom momentu brzina kretanja vode u oba smera postaće jednaka i neto-difuzija biće jednaka nuli. Pritisak koji je potreban primeniti da bi se sprečilo kretanje vode sa mesta manje na mesto veće koncentracije rastvorene supstance srazmeran je efektivnom osmotskom pritisku koncentrovanijeg rastvora. Osmotski pritisak rastvora ispoljava se samo u

slučaju kada je taj rastvor u kontaktu sa razblaženijim rastvorom preko polupropustljive membrane.

Osmotski pritisak rastvora jednak je pritisku gasa, koji na datoj temperaturi, u istoj zapremini, sadrži broj molekula jednak broju molekula rastvorene supstance u datom rastvoru. Osmotski pritisak može da se izračuna na osnovu jednačine (5) ako je sa jedne strane membrane čista voda, odnosno (6) ako su sa obe strane membrane rastvori različite koncentracije, pri čemu je c-koncentracija rastvorene supstance; R-gasna konstanta; T-apsolutna temperatura.

p = cRT (5)

p = (c1-c2) RT (6)

Osmotski pritisak rastvora zavisi od broja čestica rastvorene supstance i od prirode međudejstava koja postoje izmedju rastvorenih čestica (jona). Naime, ako je rastvor veće koncentracije, a u pitanju su elektroliti, dolazi do elektrostatičkog privlačenja jona, pa je osmotska aktivnost rastvora manja no što bi se moglo očekivati na osnovu broja rastvorenih čestica. Osmotska aktivnost (osmotska koncentracija) rastvora izračunava se u jedinicama osmolima (Osm). 1 Osm je grammol supstance koja ne difunduje i ne disosuje. Ako su u pitanju elektroliti, onda je 1 Osm jednak 1 grammol/valenca.

Osmolalna koncentracija plazme – toničnost Osmolalna koncentracija supstance u tečnosti meri se stepenom smanjenja tačke mržnjenja, pri čemu 1 mol/L idealnog rastvora smanjuje tačku mržnjenja za 1.860C. Osmolarnost je broj osmola po litri rastvora, dok je osmolalnost broj osmola po kilogramu rastvarača. Osmotski aktivne supstance u telu rastvorene su u vodi, a gustina vode je 1, tako da se osmolalna koncentracija može izraziti kao osmoli po litri (osm/L) vode. Tačka

1 1

mržnjenja humane plazme iznosi u proseku - 0.540C što odgovara osmolalnoj koncentraciji od 290 mosm/L. Osmolalnost plazme trebalo bi na osnovu broja rastvorenih čestica da bude veća od 300 mosm, jer je suma svih katjona, anjona i neelektrolita veća od 300. Medjutim, plazma kao i ostale telesne tečnosti nije idealan rastvor.

Termin toničnost koristi se da se opiše osmolalnost nekog rastvora u odnosu na plazmu. Rastvori koji imaju istu osmolalnost kao plazma označeni su kao izotonični; oni sa većom osmolalnošću kao hipertonični; a oni sa manjom kao hipotonični rastvori. Ovde treba pomenuti da toničnost rastvora zavisi i od prirode rastvorene supstance. U izotoničnom rastvoru NaCl (0.89 % za homeoterme, 0.65 % za pojkiloterme) ćelija će zadržati konstantnu zapreminu. Medjutim, ako rastvor sadrži čestice koje ćelija može da akumulira i metabolizuje, onda izotonični rastvor tokom vremena postaje hipotoničan.

1.3. Endocitoza i egzocitoza

U nekim udžbenicima, endocitoza i egzocitoza označavaju se jednim imenom kao vezikularni transport, jer se formiraju vezikule kojima se transportovani materijal odvaja od citoplazmatičnog matriksa (egzocitoza), odnosno esktracelularnog matriksa (endocitoza). Endocitoza je proces u kome se materije iz ECT prenose kroz plazma membranu u unutrašnjost ćelije (Sl. 7 a, b, c). Fagocitoza, proces u kome neutrofili i makrofagi, ćelije koje pripadaju leukocitima, unose bakterije, izumrlo tkivo i druge strane čestice u intracelularni prostor, takodje predstavlja jedan vid endocitoze. Obzirom da se preuzimaju nerastvorene čestice ovaj vid endocitoze označen je kao ″ćelijsko jedenje″ (Sl. 7 a). Pri kontaktu bakterije sa određenim receptorima u plazma membrani fagocita koji prepoznaju lipopolisaharidne komponente ćelijskog zida, dolazi do formiranja ulegnuća koje obuhvata materiju koja se fagocitira, zatim do formiranja fagocitne

vezikule unutar ćelije koja se spaja sa primarnim lizozomom što omogućava razgradnju fagocitiranog materijala. Pinocitoza, ili ″ćelijsko pijenje″, predstavlja neselektivno unošenje rastvorenih materija u unutrašnjost ćelije. Formira se ulegnuće u plazma membrani, čiji se krajevi primiču jedan drugom dok se ne formira pinocitozna vezikula koja se odvaja od plazma membrane i spaja sa lizozomom čiji enzimi razgradjuju unešeni materijal (Sl. 7 b). Receptorima posredovana endocitoza se odvija preko tzv. klatrinom obloženih jamica, odnosno u delovima membrane gde se sa unutrašnje strane nalazi visoka koncentracija proteina klatrina. Na ovaj način se u ćeliju unose molekuli za koje postoje receptori u membrani. Receptori mogu da se nalaze u klatrinom-obloženim jamicama, ili da se nakon vezivanja liganda pomeraju lateralno i grupišu u klatrinom-obložene jamice (Sl. 7 c).

Receptorima posredovana endocitoza koristi se za unošenje hranljivih molekula u ćeliju, a primer je preuzimanje lipoproteina vrlo male gustine (VLDL) od strane ćelije, što je važna etapa u metabolizmu holesterola. Takodje, na ovaj način se sa površine ćelije uklanjaju receptori za Sl. 7. Endocitoza (a, b, c,)

signalne molekule, nakon aktivacije ligandom. Nakon što se od klatrinom-obložene jamice formira unutar ćelije vezikula, dolazi do odvajanja klatrinskog omotača koji se reciklira u membranu, a vezikula (rani endozom) se spaja sa kasnim endozomom u kome je pH oko 5 zbog ulaska H+ jona radom protonske pumpe za šta se troši ATP. Acidifikacija olakšava raskidanje veza ligand receptor. Od membrane kasnog endozoma koja sadrži receptore mogu da se formiraju vezikule koje se recikliraju u membranu, dok ligandi ostaju u endozomu. Endozom se spaja sa lizozomom i ligandi bivaju razgradjeni. U odredjenim situacijama, čitav kasni endozom može da se spoji sa lizozomom i tada se smanjuje broj receptora za date ligande u plazma membrani. Interesantno je napomenuti da receptori za VLDL pređu put: plazma membrana – endozom – plazma membrana svakih 10 – 20 minuta, odnosno stotinu puta tokom svog života dugog oko dvadeset časova. Smatra se da fibroblasti internalizuju oko 50 % plazma membrane tokom jednog časa.Egzocitoza je proces sekrecije velikih proteinskih molekula kao i neurotransmitera male molekulske mase u intersticijelni prostor (Sl. 8). Materija koja se sekretuje pakuje se u vezikule, koja se nakon spajanja sa plazma membranom otvara, i celokupan sadržaj vezikule se izbacuje u ECT. Egzocitoza je endergoničan proces i zahteva razgradnju ATP kao i povećanje koncentracije intracelularnog Ca2+ bilo iz ECT, ili intracelularnih rezervoara. Primer egzocitoze neurotransmitera biće obradjen u poglavlju 4.

1.4. Homeostaza

Kada se konfrontiraju sa promenama u okolini, životinjski organizmi mogu da pokažu tri tipa odgovora: izbegavanje, uskladjivanje i regulaciju. Izbegavanje nepovoljnih uslova sredine može da se dešava na prostornoj ili vremenskoj skali. Na primer, migratorna kretanja ptica znače

Sl. 8. Egzocitoza

0 1

prelazak u prostor gde se promena ne oseća. S druge strane, izbegavanje na vremenskoj skali podrazumeva prelazak u stanje u kome je moguće preživljavanje «teškog vremena» (na primer, dijapauza kod insekata). Kada organizmi podešavaju svoju unutrašnju sredinu saglasno promenama u spoljnoj sredini, kaže se da su konformisti. Na primer, promene u koncentraciji soli u vodi rezultiraju promenom u koncentraciji tih soli u unutrašnjoj sredini organizma. Okso-konformisti su gliste čija se potrošnja kiseonika menja u zavisnosti od dostupnosti kiseonika u zemljištu. Postoje organizmi koji mogu da održe stalnost unutrašnje sredine u okviru odredjenog dijapazona variranja date promenljive u spoljašnjoji sredini. Tendencija i sposobnost organizma da održi stalnost svoje unutrašnje sredine označava se kao homeostaza (homeo – sličan, statis – uslovi), (B.N.Cannon, 1890). Na primer, organizam čoveka predstavlja skup od ogromnog broja ćelija organizovanih u odgovarajuće funkcionalne celine (tkiva - grupe tkiva – organi – organski sistemi - organizam). Ćelije su okružene ekstracelularnom tečnošću, a unutrašnjost ćelija ispunjena je intracelularnom tečnošću. Obezbedjenje optimalnih uslova za funkcionisanje ćelija zahteva održavanje konstantnih uslova u ekstracelularnoj tečnosti. To znači da se vitalni fiziološki parametri (pritisak, temperatura, pH, koncentracija glukoze itd.) moraju držati u odredjenim granicama. Svaka funkcionalna celina daje svoj doprinos održavanju homeostatskih uslova. Održavanje homeostatskih uslova u ekstracelularnoj tečnosti obezbedjuje normalno funkcionisanje ćelija i obrnuto. Puferska svojstva telesnih tečnosti, uloga bubrega i respiratornog sistema u održavanju pH krvi, primeri su homeostatskih mehanizama. Čak i mišićno-skeletni sistem, omogućavajući organizmu da se skloni od opasnosti, odnosno da dodje do potrebnih izvora hrane, učestvuje u obezbedjenju homeostaze organizma.

Homeostaza se obezbedjuje koordinacijom kompleksnih regulatornih sistema koji se mogu prikazati kao sistemi

povratne sprege. Pojam povratne sprege vezan je sa sistemima upravljanja (odnosno kontrole). Sistem upravljanja sastoji se od upravljanog (kontrolisanog) elementa i njemu pridruženog upravljačkog elementa (onog koji vrši kontrolu), kao i izvršnog organa koji menja upravljačka dejstva u skladu sa signalima upravljanja. U sistemima upravljanja mogu postojati direktne i povratne veze medju elementima koji taj sistem formiraju. Ako se za formiranje upravljačkih dejstava ne koriste informacije o vrednostima kontrolisanih veličina, ostvarenih u procesu upravljanja, u takvom sistemu postoje samo direktne veze i sistem je otvoren. Ukoliko se za formiranje upravljačkih dejstava koriste informacije o vrednostima kontrolisanih veličina, u sistemu postoje i direktne i povratne veze i sistem je zatvoren.

Postoji negativna i pozitivna povratna sprega. Negativna povratna sprega se javlja u slučaju kada povećanje izlaza redukuje odgovor na ulaz. Pozitivna povratna sprega se javlja u slučaju kada povećanje izlaza produkuje povećan odgovor na ulaz.

A +→ B +→ C A +→ B+→ C − +

Biološki kontrolni sistemi počivaju na specifičnoj prostornoj i vremenskoj organizaciji pojedinih komponenti živog sistema, povezanih u zatvoren funkcionalni krug koji obezbedjuje povratno dejstvo na samog sebe - to su sistemi povratne sprege. Mnogi homeostatski mehanizmi u organizmu deluju kao negativna povratna sprega. Primeri sistema negativne povratne sprege biće obrađeni u poglavlju 17, gde će biti dati različiti primeri kontrole produkcije hormona. Pozitivna povratna sprega javlja se da obezbedi uzlaznu fazu nekog cikličnog fenomena (primeri koji će kasnije biti obrađeni: geneza akcionog potencijala, hormonska kontrola menstrualnog i estrusnog ciklusa).

Centralni nervni sistem (CNS) čoveka sadrži oko 1011 neurona i 10-50 puta više potpornih ćelija, neuroglija ili glija ćelija. Osnovna funkcija nervnih ćelija je komunikacija, odnosno prenos informacija od receptora koji detektuju promene različitih vidova energije u spoljašnjoj i unutrašnjoj sredini organizma do efektora koji brzim adaptivnim reakcijama obezbeđuju održanje homeostaze organizma. Sposobnost organizma da otkrije promene u spoljašnjoj sredini označena je kao nadražljivost, a promene različitih vidova energije koje se događaju u spoljašnjoj i unutrašnjoj sredini organizma označene su kao stimulusi ili draži.

Da bi registrovali promene u okruženju, životinjski organizmi moraju da imaju element koji te promene registruje, odnosno detektor, i element koji adekvatno odgovara, a to je efektor. Ukoliko su to različiti elementi i nisu u direktnom kontaktu, treba da postoji i prenosnik tj. konduktor, koji će informaciju preneti od detektora (receptora) do efektora. Znači, organizam

mora da poseduje receptorno-konduktorno-efektorni sistem. Kod kičmenjaka postoje izdiferencirana tri tipa ćelija: (1) receptorne ćelije su detektori koji na dejstvo različitih vidova energije reaguju njenim «prevođenjem» u električnu energiju - «jezik» nervnih ćelija; (2) nervne ćelije su konduktori i vrše prenošenje informacija u obliku akcionih potencijala unutar organizma; (3) mišićne ćelije su efektori, a kao i nervne imaju sposobnost geneze i kondukcije akcionog potencijala, medjutim imaju i kontraktilni mehanizam koji se aktivira akcionim potencijalom i koji omogućava odgovor ćelije na signale koji stižu nervnim putem.

Evolucija receptorsko-konduktorsko-efektorskog sistema u životinjskoj seriji karakteriše se povećanjem broja elementa i usložnjavanjem mogućnosti ponašanja koje organizam može da iskaže zahvaljujući složenosti nervnog sistema. Kod jednoćelijskih organizama, ceo sistem se nalazi na nivou jedne ćelije, ali i oni su sposobni da odgovore na bazične izazove života – da nađu hranu,

Poglavlje 2.

NERVNA ĆELIJA 2

da izbegnu da budu hrana, da se reprodukuju. Ameba reaguje na svetlost, a euglena može da detektuje jačinu i smer svetlosti. Sunđeri su jedine višećelijske životinje bez nervnog sistema. Međutim ispoljavaju lokalne reakcije na mehaničke i druge stimuluse, jer su pojedine ćelije u ektodermu, iako se morfološki ne razlikuju od ostalih, osetljivije na promene u spoljašnjoj sredini i reaguju promenom oblika. Ove ćelije su označene kao nezavisni efektori. Na sledećem evolutivnom stupnju, kod nekih dupljara (aktinije, morske sase) diferencirale su se u ektodermu primarne čulne ćelije koje su, preko dužeg nastavka orijentisanog ka unutrašnjosti, u direktnom kontaktu sa efektorskim ćelijama. Kod nekih aktinija postoje izdiferencirane i nervne ćelije koje se umeću između čulne i efektorske ćelije, odnosno formira se tročlani sistem: receptor – konduktor - efektor. U daljoj evoluciji, predpostavlja se da je došlo do povlačenja tela primarne čulne ćelije dublje u unutrašnjost organizma, pri čemu je u kontaktu sa spoljašnjom sredinom ostala preko specijalizovanih cilijarnih nastavaka. Takva ćelija označena je kao čulno-nervna, a od nje se filogeneteski izvodi senzitivni neuron. Dupljari imaju difuzni nervni sistem sastavljen od dvodimenzionalne „nervne mreže” koja obezbeđuje prenos informacija od čulnih do efektornih ćelija. Složenije forme knidaria, kao na primer meduza, imaju dve neuronske mreže: jedna sadrži neurone koji brzo provode signale do efektorskih ćelija i aktivne su u uslovima opasnosti; i drugu mrežu koja koordinira spore i fine pokrete. Kod primitivnih pljosnatih crva javlja se nervni sistem koji podseća na onaj prisutan kod viših životinja, odnosno nervni sistem je bilateralno simetričan, a na anteriornom kraju grupacije neurona ili ganglija formiraju jednostavan mozak. Međutim, nema diferencijacije na centralni i periferni nervni sistem. Bilateralna simetrija i formiranje mozga (cefalizacija) su bitne etape u razvoju nervnog sistema. Kod anelida, artropoda i moluska postoji centralizovan nervni sistem koji se sastoji od mozga i ventralno postavljene nervne cevi, sa ganglijom u svakom segmentu tela koja kontroliše

mišiće datog segmenta. Prisustvo mozga i ganglija ukazuje na povećanje broja neurona kod invertebrata. Nervni putevi izmedju receptora i centra, odnosno centra i efektora predstavljaju periferni nervni sistem. Ovakva organizacija nervnog sistema podrazumeva postojanje tri kategorije neurona. Senzitivni neuron ima specijalizovani završetak usmeren ka površini tela koji ima receptornu funkciju, dok drugi nastavak ulazi u centralni nervni sistem (CNS) gde stupa u kontakt sa motoneuronom, ili interneuronom. Interneuroni ili asocijativne nervne ćelije imaju relativno kratke nastavke, ne izlaze ni jednim svojim delom van CNS, a prenose informacije od senzitivnog do motoneurona. Motoneuroni čije se telo nalazi u CNS inervišu mišićne ćelije. Kod kičmenjaka dolazi do diferenciranja tzv. sekundarnih čulnih ćelija koje su filogenetski mlađe, odnosno naknadno su se diferencirale iz ektoderma u odnosu na primarne. Tako kod kičmenjaka ulogu receptora imaju specijalizovani završeci senzitivnog neurona, primarne čulne ćelije (čulo mirisa i čulo vida) i sekundarne čulne ćelije koje su u kontaktu sa senzitivnim neuronom. Efektorske ćelije su mišićne ćelije koje svoju funkciju efektora ostvaruju kontrakcijom, i žlezdane ćelije koje odgovaraju lučenjem.

Receptor, senzitivni neuron, centri u CNS, motoneuron i efektor čine refleksni luk. To je osnovna funkcionalna jedinica integrisane nervne aktivnosti. Prisustvo ogromnog broja interneurona unutar CNS kičmenjaka obezbeđuje obradu signala i mogućnost različitih oblika ponašanja.

2.1. Morfologija neurona

Nervne ćelije ili neuroni gube sposobnost deobe u ranom postnatalnom periodu. Raznolikost oblika neurona je jedna od njihovih osobina (Sl. 9). Postoje četiri osnovna morfološka oblika: (1) unipolarni neuroni, kao kod beskičmenjaka ili neurosekretorne ćelije u hipotalamusu;

(2) pseudounipolarni, kao što je senzitivni neuron kičmenjaka; (3) bipolarni, kao što su optički i olfaktorni neuroni kičmenjaka, i (4) multipolarni, kao što su motoneuroni, piramidalne ćelije cerebeluma, Purkinjeve ćelije u korteksu.

Tipični neuron ima četiri morfološki definisana regiona: telo nervne ćelije, soma, ili perikarion u kome su smešteni jedro, endoplazmatski retikulum, Goldžijev aparat, mitohondrije i druge organele ćelije; veliki broj kratkih izraštaja tzv. dendrita koji se granaju i koji mogu da imaju bodlje (izraštaje, spine); akson (nervno vlakno, neurit), i nervne završetke (terminalni dugmići, završne nožice) koji se nalaze na kraju aksona, ali i pojedinih

dugačkih dendrita. Grananje dendrita je u funkciji povećanja površine neurona zbog kontakata (sinapsi) sa drugim neuronima. Dugačko nervno vlakno (akson) polazi od dela koji se naziva aksonski brežuljak gde se nalazi inicijalni segment. Na maloj udaljenosti od mesta gde počinje, akson dobija omotač od mijelina (to je lipoproteinski kompleks izgradjen od mnogobrojnih slojeva membrane, a nastaje od Švanovih ćelija koje se nalaze oko aksona). Mijelinski omotač se sastoji iz segmenata i obavija akson čitavom dužinom osim na kraju i na suženjima koja se duž aksona ravnomerno ponavljaju, a zovu se Ranvijerova (Ranwier) suženja (nodusi, čvorovi). Pored mijelinskog omotača, mijelizirana nervna vlakna imaju još jedan omotač tzv. neurilemu ili

Sl. 9. Motoneuron. (1) soma; (2) dendriti; (3) završeci presinaptičkog neurona; (4) inicijalni segment; (5) mijelinski omotač; (6) Ranvijerovo suženje; (7) Švanova ćelija; (8) presinaptički završeci. Slova A, B, C i D označavaju funkcionalne delove neurona: (A) generativni; (B)

integrativni; (C) konduktorni; (D) transmisioni region.

Švanov omotač koji se sastoji od niza ćelija sa po jednim jedrom. Izmedju dva Ranvijerova suženja nalazi se po jedna Švanova ćelija koja tokom embrionalnog i ranog postnatalnog razvoja učestvuje u formiranju mijelinskog omotača. Švanove ćelije učestvuju u formiranju mijelinskog omotača kod perifernih nervnih vlakana. Kod centralnih neurona, mijelinski omotač formiraju oligodendrociti, posebna vrsta glija ćelija. Akson se završava brojnim nervnim završecima. Pri svom kraju akson gubi mijelinski omotač i bogato se grana, a završeci tih grana predstavljaju presinaptičke završetke. Soma motoneurona kičmenjaka ima prečnik od oko 80 µm, akson ima prečnik od oko 20 µm, dok mijelinski omotač ima debljinu od oko 8-10 µm, a Ranvijerova suženja se nalaze na svakih 1 mm. Dendriti su vrlo razgranati: postoji u proseku 7-18 dendrita prvog reda koji izrastaju iz some, svaki se grana na 4-6 grana, te je broj krajnjih grana veći od 100. Dužina dendrita je oko 20 puta veća od dijametra some, tj. oko 1600 µm, pa ukupna površina membrana dendrita iznosi oko 1 mm. Neki neuroni nisu mijelinizirani (aksoni su uronjeni u Švanove ćelije, ali nije došlo do rotacije aksona kojom bi nastali mnogobrojni slojevi membrane), odnosno oko njihovih aksona nalazi se samo neurilema, i takva nervna vlakna se označavaju kao amijelizirana.Funkcionalni delovi jednog neurona su: (a) generativni region koji obuhvata somu i dendrite; (b) integrativni region predstavljen inicijalnim segmentom koji je mesto geneze akcionog potencijala; (c) konduktivni region, odnosno akson; i (d) transmisioni region, odnosno nervni završeci. Karakteristike ovih regiona biće detaljnije objašnjene u poglavlju 4.

2.1.1. Aksoplazmatski transport

Neuroni se karakterišu intenzivnim metabolizmom, jer troše ATP za rad jonskih pumpi u cilju održanja jonskih gradijenata na membrani, kao i za sintezu neurotransmitera i različitih proteina. Stoga imaju puno

mitohondrija koje su rasute po čitavoj citoplazmi, a veliki broj je prisutan u nervnim završecima. Takođe ih karakteriše visok nivo transporta glukoze iz ECT. Važna komponenta neurona je citoskelet koji obezbedjuje održavanje oblika neurona. Mikrotubule i intermedijerni filamenti (neurofilamenti) orijentisani su uzdužno u aksonu i dendritima, a medjusobno su povezani akcesornim proteinima. Aktinski mikrofilamenti prave mrežu ispod plazma membrane i povezani su sa mikrotubulama i neurofilamentima u aksonu i dendritima. Membranski i sekretorni proteini u neuronu sintetišu se u somi, a distribucija tih proteina u ćeliji obavlja se aksoplazmatskim transportom. Transport u smeru od some ka završetku aksona označava se kao anterogradni, a od završetaka ka somi kao retrogradni transport. Brzi anterogradni transport odvija se duž mikrotubula brzinom od oko 400 mm/dan (podatak za homeotermne životinje) i omogućava prenošenje sinaptičkih vezikula i organela (mitohondrija i tubula glatkog endoplazmatskog retikuluma, za koje se predpostavlja da imaju ulogu u sintezi pojedinih neurotrasmitera) duž aksona. Transport se odvija uz pomoć molekularnog „motora” kinezina, proteina vrlo sličnog miozinu sa katalitičkom funkcijom ATP-aze. Postoji i spor transport od some ka kraju aksona označen kao aksoplazmatski protok brzinom od 0.5-3 mm/dan, a njime se prenose rastvorljivi proteini sintetisani na slobodnim ribozomima, kao i proteinske subjedinice za stvaranje neurofibrila i neurofilamenata. Brzi retrogradni transport vraća ka somi materijal iz terminalnih završetaka koji treba da se razgradi ili ponovo koristi, upakovan u velike vezikule (deo lizozomskog sistema). Transport se odvija duž mikrotubula, a molekularni „motor” je protein dinein, takodje sa funkcijom ATP-aze. Ovaj protein uključen je i u kretanje hromozoma tokom ćelijske deobe, kao i pokrete cilija. Retrogradnim transportom, prenose se ka somi i molekuli neurotrofini, koje neuron preuzima na svojim završecima, a koji su neophodni za diferencijaciju i preživljavanje neurona.

To je posebno značajno tokom embriogeneze i razvoja nervnog sistema. Smatra se da se uz pomoć retrogradnog transporta do tela neurona dostavljaju informacije o stanju aksona odnosno o kontaktima koje je on uspostavio sa drugim neuronom ili efektorskom ćelijom. Medjutim, retrogradnim transportom u CNS mogu da dospeju i različiti virusi i toksini koje periferna nervna vlakna preuzmu na svojim krajevima i da na taj način dodje do pojave bolesti. Kolhicin, koji blokira sintezu mikrotubula, blokira i anterogradni i retrogradni transport. Aksoplazmatski transport može da se koristi u izučavanju nervnog sistema. Naime, u somu neurona mogu da se unesu obeleženi (radioaktivnim izotopom ili fluorescentnom materijom) proteini ili aminokiseline, prekursori za sintezu proteina. Brzim anterogradnim transportom obeleženi molekuli dospevaju do kraja aksona i na taj način se uz pomoć histohemijskih metoda može definisati dati nervni put u CNS. Nasuprot tome, retrogradni transport koristi se za lokalizovanje tela neurona. Često se koristi enzim peroksidaza rena (horseradish peroxidase, HRP) koja lako ulazi u terminalne završetke i transportuje se do tela neurona gde se može lokalizovati dodavanjem odgovarajućeg supstrata koji daje bojeni, fluorescentni ili luminescentni produkt.

2.1.2.Neurotrofini

Neurotrofini su familija proteinskih faktora neophodnih za rast i preživljavanje neurona. Prvi neurotrofin koji je okarakterisan jeste nervni faktor rasta (nerve growth factor, NGF) koji je važan za rast i funkcije simpatičkih neurona i nekih senzitivnih neurona. Utvrđeno je njegovo prisustvo kod čoveka i velikog broja životinjskih vrsta. Sastoji se od dve α, dve β i dve γ subjedinice. Alfa subjedinica ima aktivnost tripsina, beta subjedinice stimulišu rast neurona, a gama subjedinice imaju funkciju serin proteaza. Neuroni preuzimaju NGF na terminalnim završecima i retrogradnim transportom ih

prenose do some neurona. NGF je prisutan i u mozgu gde je neophodan za funkciju holinergičkih neurona. Neurotrofni faktor mozga (brain derived neurotrophic factor, BDNF) bitan je za funkcionisanje drugih centralnih neurona. Utvrdjeno je da neurotrofini sprečavaju apoptozu neurona za koje su specifični.

2.1.3. Glija ćelije

Nervni sistem pored neurona sadrži i glija (grčki «glue» znači lepak) ćelije. U perifernom nervnom sistemu glija ćelije su predstavljene Švanovim ćelijama i satelitnim ćelijama. Švanove ćelije imaju ulogu u formiranju mijelinskog omotača, a satelitne ćelije okružuju tela neurona u spinalnim, cerebralnim i autonomnom ganglijama. U CNS su prisutna četiri tipa glija ćelija: (a) mikroglija; (b) oligodendrociti; (c) astrociti; i (d) ependimociti. Mikroglija su fagociti koji ulaze u nervni sistem kroz krvne sudove i deo su sistema tkivnih makrofaga. Predstavljaju ćelije «čistače», mogu da proliferišu, a pri oštećenju nervnog tkiva povećava se njihov broj, veličina i fagocitna aktivnost. Oligodendrociti su uključeni u formiranje mijelina, pri čemu jedan oligodendrocit može da formira mijelinski omotač oko više aksona. Postoje dve kategorije astrocita: fibrozni astrociti koji se nalaze u beloj masi, i protoplazmatični astrociti koji se nalaze u sivoj masi. Oba tipa astrocita šalju nastavke do krvnih sudova gde indukuju formiranje tesnih veza (tight junction) i stvaranje krvno-moždane barijere. Pored potporne uloge, astrociti preuzimaju višak K+ jona iz ECT tokom nervne aktivnosti, zatim odredjene neurotransmitere, kao na primer glutamat i glicin koji se oslobađaju u sinaptičku pukotinu tokom sinaptičke transmisije, a služe i kao depo glikogena, odnosno depo energije za centralne neurone. Ependimociti oblažu komore i kanale u mozgu i kičmenoj moždini i formiraju jednoćelijski sloj izmedju nervnog tkiva i prostora ispunjenih cerebrospinalnom tečnošću.

2.2. Membranski potencijal

2.2.1. Stimulus i nadražljivost

Stimulus je promena sredine u kojoj se nalazi nadražljivo tkivo. Kako odgovor nadražljive ćelije na primenu stimulusa predstavlja promenu membranskog potencijala mirovanja (MPM), stimulus može da se definiše i kao promena spoljašnje sredine koja izaziva promenu MPM. Stimulus karakterišu intenzitet, vreme trajanja i brzina promena. U odnosu na intenzitet, stimulusi mogu da budu podpragovnog, pragovnog i nadpragovnog intenziteta. Stimulusi podpragovnog intenziteta ne izazivaju genezu akcionog potencijala. Najmanji intenzitet stimulusa koji izaziva genezu akcionog potencijala na membrani nervnog ili mišićnog vlakna označen je kao pragovni intenzitet (intenzitet praga nadražaja). Stimulusi većeg intenziteta od pragovnog označeni su kao nadpragovni. Da bi stimulus bio efikasan, pored intenziteta, mora da traje odredjeno minimalno vreme, a promena mora da se odigra dovoljno brzo. Suviše sporo dostizanje odredjenog inenziteta izaziva akomodaciju membrane, i izostaje geneza akcionog potencijala iako je dati intenzitet pragovnih vrednosti.

Sl. 10. Kriva nadražljivosti. Prikazuje odnos izmedju intenziteta stimulusa i vremena koje je potrebno da bi se u ekscitabilnom tkivu

izazvao odgovor. R-reobaza; H-hronaksija.

Odnos izmedju intenziteta i vremena trajanja stimulusa označen je kao kriva nadražljivosti, a predstavljen je krivom sličnoj ravnostranoj hiperboli. Po svom obliku kriva je jednaka za sva nadražljiva tkiva, a razlikuje se po vrednostima intenziteta i vremena trajanja stimulusa. Ova kriva pokazuje da postoji obrnuti odnos izmedju intenziteta i vremena trajanja stimulusa (Sl. 10). Ovaj odnos prestaje da važi ukoliko je intenzitet stimulusa manji od odredjene minimalne vrednosti, odnosno, vreme suviše kratko. Lep primer neefikasnosti stimulusa suviše kratkog trajanja jesu visokofrekventne struje (Tesline struje) čija je frekvenca veća od 100.000 perioda u sekundi. Bez obzira na visok napon takvih struja (veliki intenzitet stimulusa) one ne mogu da budu efikasni stimulusi za genezu akcionog potencijala, jer suviše kratko traju. Najmanji intenzitet stimulusa dovoljan da izazove genezu akcionog potencijala, označen je kao reobaza, a najkraće vreme potrebno da intenzitet jednak reobazi deluje, označeno je kao korisno vreme. Intenziteti stimulusa ispod vrednosti reobaze, nisu efikasni, bez obzira na dužinu trajanja. Vrednost reobaze različita je za pojedina nadražljiva tkiva, a za nerv ischiadicus žabe iznosi oko 60-80 mV (stimulacija se vrši električnim stimulusima, a intenzitet se meri preko napona struje u mV). Najmanje vreme potrebno da deluje intenzitet stimulusa jednak dvostrukoj reobazi označeno je kao hronaksija. Ovaj pojam uveo je francuski naučnik Lapik (Lapique) smatrajući da se preko hronaksije može porediti nadražljivost različitih tkiva. Ovaj parametar se danas ne upotrebljava kao merilo nadražljivosti, medjutim model krive nadražljivosti veoma dobro opisuje karakteristike efikasnog stimulusa.

2.2.2. Pasivni jonski kanali i membranski potencijal mirovanja

Prisustvo pasivnih jonskih kanala u membrani za pojedine jone, kao i postojanje jonskih pumpi, obezbeđuje postojanje razlike u koncentraciji jona sa jedne i druge strane membrane. To dovodi do pojave potencijalne

razlike na membrani (koristi se termin: membranski potencijal, ili membranski potencijal mirovanja). Kod ćelija prokariota membranski potencijal iznosi oko –100mV, a rezultat je protonskog gradijenta. Kod biljnih ćelija protonski gradijent obezbedjuje membranski potencijal od –120mV do –180mV. Potencijalna razlika na membrani životinjskih ćelija iznosi od –10mV do –100 mV. Predznak minus označava da je unutrašnja strana membrane elektronegativna u odnosu na spoljašnju stranu. Ova razlika potencijala odnosi se samo na uzan sloj uz membranu, dok je ostali intracelularni i ekstracelularni prostor električki neutralan. Deo jona koji je odgovoran za postojanje potencijalne razlike na membrani predstavlja 1/200000 deo od ukupno prisutnih jona u ECT i ICT. Da bi se potencijalna razlika povećala za 10 mV potrebno je da se poveća pozitivno, odnosno negativno naelektrisanje za po 600 naelektrisanih čestica/µm2 membrane.

Ako se merni instrument poveže sa registrujućim mikroelektrodama, od kojih je jedna uronjena u unutrašnjost ćelije, a druga se nalazi u tečnoj sredini sa spoljne strane membrane, registruje se membranski potencijal mirovanja (MPM). Na membrani aksona sipe MPM iznosi -61 mV (Sl. 11).

Sl. 11. Registrovanje membranskog potencijala (MPM) korišćenjem intracelularne mikroelektrode (levo) i zapis MPM na oko –61 mV

(desno).

Koji joni su odgovorni za postojanje potencijalne razlike na membrani animalne ćelije? To zavisi od prisustva pasivnih jonskih kanala u membrani za odgovarajuće jone, kao i jonskih pumpi koje aktivnim transportom jona kroz membranu obezbedjuju postojanje koncentracijskog gradijenta za dati jon. Vrednost membranskog potencijala najbliža je vrednosti ravnotežnog potencijala za onaj jon za koji u membrani postoji najviše pasivnih jonskih kanala. Ti joni će ostvariti najveći prolaz kroz membranu, a jonske pumpe imaju zadatak da ih vrate na suprotnu stranu membrane, da bi se održao hemijski gradijent za dati jon.

2.2.3. Membranski potencijal glija ćelija

Membranski potencijal glija ćelija iznosi -75 mV. Intracelularna koncentracija K+ i organskih anjona u glija ćelijama je daleko veća no u ekstracelularnom matriksu, za razliku od koncentracije Na+ i Cl- koji su u većoj koncentraciji prisutni ekstracelularno. U membrani postoje pasivni jonski kanali samo za K+ i stoga je kod ovih ćelija MPM jednak ravnotežnom potencijalu za K+. Predpostavimo da na početku nema potencijalne razlike na membrani. Zbog razlike u hemijskom gradijentu, K+ joni će težiti da izlaze iz ćelije kroz pasivne jonske kanale dok kretanje drugih jona neće biti moguće. To će dovesti do povećanja pozitivnog naelektrisanja sa spoljne strane membrane u odnosu na unutrašnju gde će zaostati više negativno naelektrisanih jona i formiraće se električni gradijent sa pozitivnim polom sa spoljašnje i negativnim polom sa unutrašnje strane membrane. Električni gradijent suprostavljaće se kretanju K+ jona van ćelije, i u jednom momentu uspostaviće se ravnoteža između ova dva gradijenta. Kretanje K+ jona van ćelije biće u ravnoteži sa kretanjem u ćeliju, drugim rečima neto-difuzija biće jednaka nuli. Elektrostatsko privlačenje izmedju pozitivno i negativno naelektrisanih jona stvoriće tanak oblak naelektrisanja duž membrane. Pri tim uslovima intracelularna koncentracija K+ iznosiće 400

mmol/L, a ekstracelularna 20 mmol/L. Pri temperaturi od 200C vrednost ravnotežnog potencijala za K+ (EK

+) iznosiće –75 mV što se poklapa sa MPM glija ćelija. To znači da ćelija ne troši energiju za održavanje MPM, nego da je on rezultat Donanove ravnoteže za jone K+.

2.2.4. Membranski potencijal mirovanja neurona

Kada su u pitanju neuroni, onda je MPM posledica odgovarajućeg rasporeda jona K+, Na+ i Cl- jer u membrani postoje pasivni jonski kanali za sva tri jona. Izraženo u relativnim jedinicama, propustljivost za K+ : Na+ : Cl- = 1 : 0.04 : 0.45, što znači da za K+ ima najviše pasivnih jonskih kanala u membrani. Stoga je membranski potencijal neurona blizu ravnotežnog potencijala za K+.

Ako bi MPM neurona bio rezultat postojanja Donann-ove ravnoteže za sve difuzibilne jone, to bi značilo da na njihovu distribuciju utiču samo električni i hemijski gradijent, i da bi ravnotežni potencijali za te joni bili jednaki vrednosti MPM. Korišćenjem Nerst-ove jednačine može se pokazati da je vrednost MPM aksona sipe bliska vrednosti ravnotežnog potencijala za K+, da je vrlo daleko od ravnotežnog potencijala za Na+, a da se poklapa sa ravnotežnim potencijalom za Cl-. To ukazuje da ćelija troši energiju da bi održala raspored jona Na+ i K+ sa jedne i druge strane membrane, odnosno da se taj raspored obezbedjuje radom Na+/K+-pumpe. Drugim rečima, MPM predstavlja stacionarno stanje, a ćelija se nalazi u stanju hemijske i električne neravnoteže.

Ovo se može ilustrovati na primeru aksona sipe, gde vrednost membranskog potencijala mirovanja iznosi -61 mV. Koncentracija K+ veća je u ćeliji, pa prema hemijskom gradijentu on teži da izađe iz ćelije, a električni gradijent ga usmerava u suprotnom smeru (jer je unutrašnja strana ćelijske membrane naelektrisana negativno, a spoljašnja strana pozitivno). Ako se preko Nerstove jednačine izračuna ravnotežni potencijal za K+ (EK

+) dobija se

vrednost od -75 mV. To ukazuje da distribucija jona K+ nije rezultat ravnoteže hemijskog i električnog gradijenta na membrani, već da ćelija aktivno održava ovakav raspored pomoću Na+/K+ pumpe.

Tabela 1 Ekstracelularna i intracelularna koncentracija jona

∗ECT ne uključuje plazmu

S obzirom da je koncentracija Na+ veća u ECT, i prema hemijskom i prema električnom gradijentu joni Na+ teže da udju u ćeliju. Ako se izračuna ravnotežni potencijal za Na+ (ENa

+) dobije se vrednost od +55 mV. Kretanje Na+ u ćeliju rezultat je difuzije uslovljene hemijskim i električnim gradijentom. Kretanje Na+ iz ćelije, nasuprot i hemijskom i električnom gradijentu mora biti aktivan proces koji zahteva utrošak energije. Raspored jona Na+ rezultat je rada Na+/K+ pumpe. Obzirom da se 3 jona Na+ transportuju van ćelije, nasuprot 2 jona K+ koji se transportuju u ćeliju, znači da pumpa nije elektroneutralna i da prema tome učestvuje u stvaranju MPM.

Koncentracija jona Cl- veća je u vanćelijskoj tečnosti, i u odnosu na hemijski gradijent joni Cl- teže da udju u ćeliju, Medjutim, električni gradijent usmerava kretanje Cl- iz ćelije. U stanju ravnoteže, ova dva gradijenta moraju biti jednaka po veličini, a suprotnog smera, i u takvim uslovima, neto-kretanje Cl- jona jednako je nuli. Ako se izračuna ravnotežni potencijal za Cl- (ECl-) dobija se vrednost od –61 mV, što se podudara sa vrednosti MPM. Znači, na njegovu distribuciju utiču samo hemijski i električni gradijent.

Membranski potencijal u nadražljivim ćelijama je osnov za genezu električnih signala kojima se prenose informacije od jedne do druge nadražljive ćelije. Značajan je za održavanje osmotskog balansa ćelije, odnosno sprečava povećan ulazak vode i jona u ćeliju.

2.2.5. Promene u koncentraciji jona menjaju membranski potencijal mirovanja

1902. godine Julius Berstein je predpostavio da je MPM neurona jednak ravnotežnom potencijalu za K+ jone. Ova teorija testirana je 40-tih godina prošlog veka kada je bilo

moguće intracelularno registrovanje MPM. Eksperimenti su pokazali da MPM odstupa od EK

+ pri različitim koncentracijama K+ u ECT. Ovi rezultati pokazuju da je membrana neurona propustljiva za još neke jone, a ne samo za jone K+, kao što je slučaj kod glija ćelija. Povećanje ekstracelularne koncentracije K+ smanjuje membranski potencijal mirovanja, jer se smanjuje gradijent koncentracije za ovaj jon (Sl. 12).

2.3. Lokalni signali: pasivna električna svojstva membrane neurona

2.3.1 Fizički model membrane

Funkcionalni aspekti pasivnih osobina membrane, osobina koje se ne menjaju tokom prenosa impulsa, mogu se dobro razumeti upotrebom modela ekvivalentnog električnog kola. Model ekvivalentnog kola je zasnovan na empirijskim podacima i opisuje tri najvažnije osobine membrane nervne ćelije: jonske baterije, otpor membrane i kapacitet membrane da razdvaja naelektrisanje.

Sl. 13. Pasivan kanal selektivno propustljiv za K+ doprinosi nastajanju EMS.

Joni ECT (mmol/L vode)∗ ICT (mmol/L vode)

Akson sipe (Lolligo sp.)Na+ 440 50K+ 20 440Cl- 560 52Ca2+ 10 0.0003Anjoni proteini - 300-400

Sisarska ćelija

Na+ 145 12K+ 4 139Cl- 116 4Ca2+ 1.8 <0.0002Anjoni proteini - 139HCO3 29 12Mg2+ 1.5 0.8

Sl. 12. Zavisnost membranskog potencijala od ekstracelularne koncentracije K+

0 1

Zbog postojanja nejednake distribucije jona sa spoljašnje i unutrašnje strane membrane, svaki otvoreni jonski kanal doprinosi stvaranju potencijalne razlike kroz membranu. Na primer, koncentracija K+ je veća u unutrašnjosti ćelije, tako da K+ teži da difunduje iz ćelije kroz pasivne kanale za K+. Ovakva difuzija dovodi do razdvajanja naelektrisanja na membrani, i nakupljanja pozitivnog naelektrisanja sa spoljašnje strane ostavljajući višak negativnog naelektrisanja sa unutrašnje strane membrane. Nastala razlika potencijala funkcioniše kao stalni izvor elektromotorne sile i može se zvati jonskom baterijom (Sl. 13). Napon baterije za svaki jon (K+, Na+ i Cl-) jednak je ravnotežnom potencijalu za određeni jon (EK, ENa, ECl). Jonske baterije za K+ i Na+ se pune Na+/K+ pumpom. Difuzija K+ iz ćelije i Na+ u ćeliju, je uravnotežena aktivnim transportom ovih jona. Naime, Na+/K+ pumpa se suprotstavlja “pasivnim” strujama za K+ i Na+ i ona pumpa Na+ iz ćelije a K+ vraća u ćeliju.

Lipidni dvosloj membrane ne dozvoljava prolazak jona, tako da joni kroz membranu difunduju gotovo isključivo kroz jonske kanale. Kao što je već opisano svaki otvoreni jonski kanal generiše elektromotornu silu, dozvoljavajući difuziju jona prema hemijskom gradijentu i tako funkcioniše kao provodnik. S obzirom da je provodljivost kanala (g’) u obrnutom odnosu sa otporom membrane za prolazak jona (R), svaki jonski kanal u ekvivalentnom kolu može biti predstavljen baterijom u serijskoj vezi sa otpornikom. Ukupna provodljivost ćelijske membrane neurona u miru (g) za određeni jon je proporcionalana proizvodu broja pasivnih kanala (N) za dati jon i provodljivosti svakog pojedinačnog kanala (g’):

(5)

Analogno ovome, svi pasivni jonski kanali mogu, u ekvivalentnom kolu, biti predstavljenii kombinacijom otpornik-baterija (Sl. 14).

Sl. 14. Pasivni jonski kanali selektivni za odgovarajuće jone prikazani kao serijski povezani otpornik (R=1/g) i baterija

Treća važna pasivna električna osobina membrane neurona je njena funkcija kondenzatora. Svaki sistem u kome su dva provodnika razdvojena izolatorom je kondenzator. U slučaju neurona ICT i ECT funkcionišu kao provodnici a lipidni dvosloj membrane kao izolator. Osnovna karakteristika kondenzatora je sposobnost da razdvaja (zadržava) suprotno naelektrisanje na svojim površinama. Kapacitet kondenzatora (C) se može izračunati iz odnosa količine naelektrisanja (Q) i napona (V):

(6)

Zbog postojanja jonskih kanala, ćelijska membrana je dobar ali ne savršen kondenzator. Stoga se membrana neurona može smatrati kao kondenzator koji “curi”.

2.3.2. Izračunavanje membranskog potencijala u modelu ekvivalentnog kola

U sledećem prikazu izračunavanja Vm neurona u miru biće zbog jednostavnosti zanemareni pasivni kanali za Cl-. MPM je stalna vrednost, tako da ne postoji neto tok struje, odnosno struja Na+ (INa) je jednaka ali suprotnog smera u odnosu na IK:

(7)

INa i IK se mogu izračunati ukoliko se odvojeno posmatraju razlike potencijala kroz provodničku granu za Na+ i K+.

(8)

Slično ovome za K+:

(9)

Ove jednačine ilustruju jonsku struju kroz svaku granu u ekvivalentnom kolu kao proizvod provodljivosti membrane za određeni jon i neto elektromotorne sile (EMS), koja je jednaka razlici između Vm i ravnotežnog potencijala za dati jon. Ukoliko je Vm pozitivniji od ravnotežnog potencijala za dati jon, onda je struja usmerena ka spoljašnjoj sredini. Ako je Vm negativniji od ravnotežnog potencijala za dati jon onda je jonska struja usmerena ka unutrašnjosti ćelije.

Kako je INa + IK = 0, mogu se dobiti sledeće jednačine:

(10)

(11)

Ako se uzmu u obzir koncentracije sva tri jona u ECT i ICT, kao i njihova relativna propustljivost u odnosu na propustljivost za K+ (vrednost = 1), korišćenjem Goldman-Hočkin-Kacove (GHK) (Goldman, Alan Hodgkin i Bernard Katz) jednačine može da se izračuna vrednost MPM.

jednačina za MPM (12)

odnosno

Propustljivost za jone označena je sa P sa subskriptom za odgovarajući jon; b – PNa/PK; c – PCl/PK; slovo i označava intracelularnu, a slovo e ekstracelularnu koncentraciju jona.

2.3.3. Pasivne promene membranskog potencijala, elektrotonični potencijali

Hipotetično RC kolo (Sl. 15), u kome je kapacitet membrane (C) predstavljen kondenzatorom, paralelno vezanim sa otpornikom (koji predstavlja otpore pasivnih jonskih kanala, RK, RNa, RCl) može dobro da simulira promene membranskog potencijala koje se dobijaju primenom podpragovnih intenziteta stimulusa koji su suviše mali da dovedu do otvaranja voltažno-zavisnih kanala za Na+ i K+.

Sl. 15. Električno ekvivalentno kolo - analog pasivnih električnih svojstava membrane neurona

U nervno vlakno se uvede jedna mikroelektroda povezana sa katodnim osciloskopom dok se druga referentna elektroda nalazi spolja. U neposrednu blizinu, u vlakno se uvede stimulatorna mikroelektroda dok se druga postavi spolja. Ove dve elektrode povežu se sa električnim stimulatorom, pa struja može da teče i u vlakno, i iz vlakna (Sl. 16 A). Prema dogovoru, smer struje odredjuje se na osnovu neto-kretanja pozitivno naelektrisanih čestica. Pri prolasku kroz membranu struja teče kroz kapacitativne i provodničke elemente (RC kolo). Kapacitativna struja ne podrazumeva kretanje naelektrisanih čestica kroz kondenzator, nego predstavlja elektrostatički uslovljenu promenu količine naelektrisanja sa jedne i druge strane membrane. Dolazi do “punjenja” (u slučaju hiperpolarizacije), odnosno “pražnjenja” kondenzatora (u slučaju depolarizacije). Struja kroz provodničke elemente predstavlja kretanje jona kroz pasivne kanale, odnosno jonsku struju, najčešće za

K+, obzirom na mnogo veći broj pasivnih jonskih kanala za K+ u odnosu na Na+ i Cl-. Ukoliko se intracelularna elektroda učini pozitivnom u odnosu na ekstracelularnu, primena podpragovnog električnog stimulusa dovodi do depolarizacije membrane: struja (pozitivno naelektrisanje) teče od intracelularne elektrode u neuron i akumulira se sa unutrašnje strane membrane; istovremeno pozitivno naelektrisani joni se uklanjaju sa spoljne strane strane membrane zbog ekstracelularne elektrode (Sl. 16 B). To dovodi do smanjenja negativnog naelektrisanja sa unutrašnje strane, odnosno pozitivnog sa spoljne strane membrane, a to znači depolarizaciju membrane. Ako se intracelularna elektroda učini negativnom u odnosu na spoljašnju, primena električnog stimulusa dovešće do hiperpolarizacije membrane (Sl. 16 C). Ove promene potencijala su pasivne promene i označavaju se kao elektrotonični potencijali.

2.3.4. Prostorna i vremenska konstanta

Nastajanje elektrotoničnog potencijala u funkciji vremena dato je jednačinom

(14)

U ovoj jednačini τ je vremenska konstanta membrane, koja je jednaka proizvodu otpora membrane (Rm) i kapaciteta membrane (Cm):

(15)

gde je Rm [Ωcm2] - specifični otpor membrane, odnosno delića membrane površine 1 cm2, Cm [µF/cm2] - specifični kapacitet membrane tj. kapacitivnost delića membrane 1 cm2. Vremenska konstanta, τ, je vrednost koja se može meriti eksperimentalno i označava vreme za koje ∆Vm dostigne 63% od maksimalne vrednosti. τ je različita za različite neurone i iznosi od 1 - 20 msec (Sl. 17).

Što je duža τ, duže je i trajanje promene potencijala i ukoliko se ove promene potencijala preklapaju u vremenu, moguća je vremenska sumacija (videti poglavlje 4, osobine postsinaptičkih potencijala i poglavlje 5, osobine generatorskog potencijala).

Sl. 18. Dužinska konstanta. A. Amplituda promene Vm je najveća na mestu stimulacije a opada sa porastom udaljenosti registrujućih elektroda od stimulatorne. B. Grafički prikaz promene Vm u funkciji

rastojanja od stimulatorne elektrode.

Ako se u toku stimulacije podpragovnim stimulusima, intracelularno registruje potencijal membrane na različitim udaljenostima od stimulatorne elektrode dobiće se zapisi kao na slici 18. Na slici se vidi da je amplituda najveća na mestu stimulacije i da se smanjuje sa porastom udaljenostii registrujućih elektroda . Ukoliko se amplituda Vm, grafički predstavi, u funkciji rastojanja dobija se eksponencijalna funkcija koja se može opisati jednačinom:

(16)

λ - dužinska konstanta; x - distanca od stimulatorne elektrode; ∆Vm - promena potencijala na određenom rastojanju od stimulatorne elektrode; ∆V0 - promena potencijala na mestu stimulatorne elektrode (x = 0).

Dužinska konstanta, λ, je rastojanje na kome ∆Vm opadne za 1/e ili 37% od svoje maksimalne vrednosti (x = 0). Dužinska konstanta je određena odnosom Rm i Ru:

(17)

Ekstracelularna sredina je velikog volumena i malog otpora tako da može biti zanemarena u ovom prikazu; Rm - otpor membrane; Ru - otpor aksoplazme.

Ukoliko je Rm veće (bolja izolacija membrane), ili vrednost Ru manja (bolje provodne karakteristike aksona), dužinska konstanta će biti veća. Vrednost dužinske konstante za različite neurone varira od 0.1-1.0 mm.

Efikasnost širenja elektrotoničnih potencijala, koja se meri dužinskom konstantom, je značajna za prostornu sumaciju (videti poglavlje 4, osobine postsinaptičkih potencijala i poglavlje 5, osobine generatorskog potencijala), kao i za prostiranje akcionog potencijala duž aksona (kasnije u ovom poglavlju).

2.3.5. Lokalni signali u okviru nervnog sistema

U organizmu životinja i čoveka javljaju se promene membranskog potencijala koje su lokalnog karaktera i predstavljaju graduisane odgovore. To su: generatorski potencijal koji se javlja na receptornoj membrani; postsinaptički potencijali koji se javljaju na membrani postsinaptičkog neurona; kao i potencijal motorne ploče koji se javlja u neuromuskularnoj vezi. Kao i elektrotonični potencijali, karakterišu se prostornom ii vremenskom konstantom. Takođe, ne dovode membranu u stanje refraktornosti, odnosno nemogućnosti da odgovori na nove stimuluse, odnosno signale koji stižu presinaptičkim elementom, pa se mogu sumirati prostorno i vremenski.

2.4. Prostirući signali: akcioni potencijal

2.4.1. Karakteristike i registrovanje akcionog potencijala

Akcioni potencijal nervnog vlakna je prostirući fenomen konstantne amplitude i brzine, ponaša se prema zakonu “sve ili ništa”, izaziva refraktornost membrane. Zakon “sve ili ništa” podrazumeva da ako se jedno nervno vlakno stimuliše stimulusima podpragovnog intenziteta, ne dolazi do geneze akcionog potencijala, odnosno, vlakno reaguje sa “ništa”. Ako se primeni pragovni intenzitet stimulusa, vlakno reaguje sa “sve”, odnosno, generiše akcioni potencijal maksimalne amplitude. Dalje povećanje intenziteta stimulusa ne dovodi do povećanja amplitude akcionog potencijala. Refraktornost membrane znači da je membrana nenadražljiva tokom trajanja akcionog potencijala.

Akcioni potencijal je prostirući fenomen koji se javlja na membrani nervne ili mišićne ćelije kao odgovor na primenu efikasnog stimulusa (u eksperimentalnim uslovima) ili

A B

Sl. 16. Šema eksperimenta merenja promena membranskog potencijala i izazivanje depolizacije i hiperpolarizacije membrane nervnog vlakna.

Objašnjenje u tekstu Sl. 17. Efekat primene podpragovnog pravougaonog električnog stimulusa na promenu potencijala membrane u funkciji vremena i

definisanje vremenske konstante (τ) elektrotoničnog potencijala.

kao odgovor na odgovarajuću aktivnost presinaptičkog neurona (u organizmu). Predstavlja prolaznu promenu polarizovanosti datog segmenta membrane, od tzv. tačke okidanja (vrednost polarizovanosti membrane za oko 15 mV manja od vrednosti MPM), depolarizacije do nule, inverzije polarizovanosti (unutrašnjost postaje elektropozitivna u odnosu na spoljašnjost), i repolarizacije koja vraća membranski potencijal na vrednost MPM.

Ako se katodni osciloskop (Sl. 19) poveže sa registrujućim elektrodama od kojih je jedna uvučena u unutrašnjost aksona, a druga se nalazi u tečnoj sredini van ćelije, registrovaće se MPM datog aksona. Ukoliko se obe elektrode postave na spoljnu površinu membrane, neće se registrovati nikakva razlika potencijala. Ako se akson nadraži stimulusom praga nadražaja doći će do geneze i kondukcije akcionog potencijala, odnosno nervnog impulsa.

Sl. 19. Katodni osciloskop.

Sl. 20. Dvofazni zapis akcionog potencijala dobijen ekstracelularnim registrovanjem ilustruje da se akcioni potencijal širi kao talas elektronegativnosti duž spoljne strane membrane. Objašnjenje u

tekstu.

Dvofazni zapis akcionog potencijala (Sl. 20) dobija se ukoliko se obe registrujuće elektrode postave na površinu membrane. Dok je membrana u miru nema potencijalne razlike izmedju registrujućih elektroda. Ukoliko se izvrši stimulacija nervnog vlakna efikasnim stimulusom, dolazi do karakterističnih promena potencijala izmedju registrujućih elektroda, što rezultira dvofaznim zapisom akcionog potencijala. Kada talas depolarizacije stigne do prve elektrode, ona postaje elektronegativna u odnosu na drugu. Kada impuls prodje ispod prve elektrode i stigne u oblast izmedju elektroda, nestaje razlika potencijala izmedju elektroda. Kada impuls stigne ispod druge elektrode, prva postaje elektropozitivnija u odnosu na drugu. Negativnost prve elektrode u odnosu

na drugu rezultira otklonom na gore (zbog odredjenog načina povezivanja registrujućih elektroda sa katodnim osciloskopom). Prema tome, zapis pokazuje otklon na gore, vraćanje na izopotencijalnu liniju, otklon na dole i vraćanje na početno stanje. Dužina izoelektričnog intervala zavisi od brzine širenja akcionog potencijala i rastojanja izmedju dve registrujuće elektrode.

Sl. 21. Instracelularno registrovanje akcionog potencijala, monofazni zapis. 1-artefakt koji označava momenat stimulacije; 2-latentni period; 3-tačka okidanja; 4-depolarizacija; 5-inverzija polarizovanosti; 6-repolarizacija; 7-naknadna depolarizacija; 8-

naknadna hiperpolarizacija.

Pri intracelularnom registrovanju (Sl. 21) na ekranu katodnog osciloskopa javlja se karakteristična serija promena potencijalne razlike na membrani. U momentu primene stimulusa registruje se “artefakt” stimulusa. Iza njega sledi izopotencijalni interval ili latentni period. Na osnovu dužine trajanja latentnog perioda i udaljenosti

stimulatornih od registrujućih elektroda može se odrediti brzina kondukcije impulsa. Prva manifestacija stizanja impulsa pod registrujuću elektrodu jeste registrovanje depolarizacije membrane. Po dostizanju tačke okidanja potencijal se naglo smanjuje, dostiže nulu i prelazi u pozitivnost, tj. u inverziju polarizovanosti. Odmah po dostizanju inverzne polarizovanosti, potencijal se vraća u stanje mirovanja. Nagla depolarizacija membrane od tačke okidanja (paljenja), inverzija polarizovanosti i brza repolarizacija zove se šiljak akcionog potencijala (engleski: spike), a sporija repolarizacija pri kraju procesa zove se naknadna depolarizacija. Nakon toga dolazi do hiperpolarizacije membrane za nekoliko milivolti koja je označena kao naknadna hiperpolarizacija, a zatim se potencijal vraća na vrednost u mirovanju. Akcioni potencijal nervnog vlakna traje vrlo kratko, oko 1-2 msec, dok naknadna hiperpolarizacija traje i do 30-40 msec.

GHK jednačinom se mogu ilustrovati i promene membranskog potencijala (Vm) tokom akcionog potencijala. Na primer, u piku akcionog potencijala gNa je 500 puta veća u odnosu na vrednost u miru zbog otvaranja voltažno zavisnih kanala za Na+ i raste do 250 x 10-6 S, što ima za posledicu i promenu Vm (+35 mV).

Tokom depolarizacije membrane, inverzije pola-rizovanosti i repolarizacije membrane, membrana je u stanju potpune nenadražljivosti tzv. apsolutnoj refraktornoj fazi (ARF). Nadražljivost se postepeno povećava pri kraju repolarizacije membrane, ali je manja od normalne tokom naknadne hiperpolarizacije, tzv. relativna refraktorna faza (RRF - stanje smanjene nadražljivosti membrane). Tokom RRF moguće je, stimulusima čiji je intenzitet iznad praga nadražaja, izazvati nov akcioni potencijal, ali je njegova amplituda najčešće manja od normalne, a tek po završetku RRF moguće je izazvati akcioni potencijal normalne amplitude.

2.4.2. Hočkin-Hakslijevi ogledi – jonska baza akcionog potencijala

Još 1938. god. američki naučnici K.C. Kol i Hauard Kertis (K. C. Cole i Howard Curtis) su zapazili da je provodljivost membrane za jone povećana tokom trajanja akcionog potencijala. Ovaj nalaz je obezbedio prvi dokaz da je akcioni potencijal rezultat kretanja jona kroz membranu neurona. Deset godina kasnije Alan Hočkin i Bernard Kac su pokazali da je amplituda akcionog potencijala smanjena ukoliko se smanji ekstracelularna koncentracija Na+.

Na osnovu svojih, i eksperimenata Kola i Kertisa, Hočkin i Kac su postavili hipotezu koja objašnjava nastajanje akcionog potencijala. Oni su pretpostavili da akcioni potencijal nastaje depolarizacijom za koju je odgovorna kratkotrajna promena propustljivosti membrane za Na+. Danas se zna, da ova promena propustljivosti nastaje zbog otvaranja voltažno zavisnih kanala za Na+, i pojave ulazne Na+ struje (INa). Naime, Na+ joni kreću se kroz otvorene kanale prema svom koncentracijskom gradijentu. Depolarizacija koja nastaje ulaskom Na+ u ćeliju predstavlja uzlaznu fazu akcionog potencijala. Repolarizacija (silazna faza) nastaje zbog otvaranja voltažno zavisnih kanala za K+ i izlaska K+ iz ćelije, kao i inaktivacije Na+ kanala što gasi ulaznu Na+ struju.

Da bi se testirala ova hipoteza bilo je neophodno pratiti kretanje ovih jona u toku nervnog impulsa. Međutim, ova zamisao je u praksi nailazila na velike probleme zbog uzajamne povezanosti između membranskog potencijala i aktivnosti Na+ i K+ kanala. Na primer, ukoliko se membrana depolariše, dolazi do otvaranja voltažno-zavisnih Na+ kanala i ulazna Na+ struja izazvaće veću depolarizaciju, što će otvoriti još više Na+ kanala i još više Na+ će ulaziti u ćeliju, čime se opet dalje depolariše membrana itd. Ovakav regenerativni ciklus, koji se dešava vrlo brzo, čini nemogućim dostizanje stabilnog membranskog

potencijala. Slični tehnički problemi su pratili i analizu K+ struje, koja je odgovorna za repolarizaciju.

Alan Hočkin i Endrju Haksli (Andrew Huxley, 1950.) su metodom nametnute voltaže (voltage clamp) uspeli da prekinu spregu između potencijala membrane i provodljivosti jonskih kanala, i time obezbedili prve kompletne opise jonske osnove akcionog potencijala. Metod nametnute voltaže se zasniva na funkcionisanju negativne povratne sprege: promena membranskog potencijala se može sprečiti automatskim ubrizgavanjem u ćeliju struje istovetne amplitude ali suprotnog smera od one koja može da izazove promenu potencijala.

Hočkin i Haksli su u gigantski akson sipe uveli dve mikroelektrode, jedna (V) je služila za merenje Vm, a druga (I) za merenje i propuštanje struje kroz membranu. Treća, referentna elektroda, se nalazila u ekstracelularnom rastvoru. Na slici 22 je prikazan uprošćen uređaj za nametnutu voltažu. V elektroda (koja meri Vm) je povezana sa amplifikatorom povratne sprege (Afb) a na drugi njegov ulaz je vezan generator napona (SG), odnosno izvor komandnog napona (CP) koji je pod kontrolom eksperimentatora. Komandni potencijal određuje nivo polarizovanosti membrane neurona, odnosno nivo potencijala na koji se želi dovesti membrana. Takođe, na izlaz Afb se vezuje i druga mikroelektroda (I) kroz koju se propušta struja proporcionalna razlici između komandnog potencijala i registrovanog potencijala membrane (Vm) tj. CP- Vm.

Kada membranski potencijal ne odstupa od zadatog, kroz elektrodu I ne teče struja (CP- Vm=0). Ukoliko se postavi komandni potencijal (CP) tako da membrana bude depolarisana (npr. CP=-30 mV, a Vm=-70 mV), onda će generator napona (SG) isporučiti preko elektrode I u ćeliju pozitivan naboj i membrana će se depolarisati do nivoa CP. Ovakva depolarizacija membrane (-30 mV) izaziva difuziju Na+ u ćeliju, što će na osnovu poređenja stanja

na ulaznom stepenu, registrovati amplifikator povratne sprege (Afb) i automatski pokrenuti generator struje koji isporučuje izlaznu struju tačno toliku da poništi struju Na+. S obzirom da struje (Na+ i električna) poništavaju jedna drugu, Vm se konstantno održava na nivou CP. Struja potrebna za održavanje zadatog potencijala, koja je iste amplitude ali suprotnog smera od struje jona nastale usled promene membranskog potencijala, služi kao mera kretanja jona kroz membranu. Struja koja se propušta kroz membranu (Im) kao i vrednost CP može se registrovati na ekranu katodnog osciloskopa.

Analiza Im, struje koja sprečava promenu potencijala pri primeni depolarišućeg CP (pragovne vrednosti za genezu akcionog potencijala), je pokazala da se sastoji iz dve komponente: brze ulazne struje i spore, naknadne izlazne struje koja se nadovezuje na ulaznu (Sl. 23). Hočkin i Haksli su u eksperimentima u kojima su vršili supstituciju jona u spoljašnjoj sredini uspeli da izvrše odvajanje te dve

struje, i time pokažu da akcioni poencijal zavisi od ulaska Na+ (ulazna struja, koja se vremenski poklapa sa fazom depolarizacije akcionog potencijala) i da repolarizacija zavisi od izlaska K+ (izlazna struja). Na primer, ukoliko su Na+ u medijumu zamenili velikim nepermeabilnim katjonom - holinom, dobili su izostanak ulazne struje, dok se spora izlazna struja i dalje registrovala. Kasnija istraživanja selektivne farmakološke blokade voltažno-zavisnih kanala za ova dva jona su potvrdila hipotezu o postojanju nezavisnih kanala za Na+ i K+. Naime,

Sl. 22. Šematski prikaz uređaja za nametnutu voltažu. SG-generator napona koji produkuje komandni potencijal (CP); Afb-amplifikator (pojačivač) povratne sprege; AV-amplifikator za merenje membranskog potencijala; V elektroda-za merenje potencijala; I elektroda-za merenje

i propuštanje struje.

Sl. 23. Tipični zapisi dobijeni u ogledima sa nametnutom voltažom. A. Velika depolarizacija izaziva membransku struju (Im) usled otvaranja Na+ i K+ kanala. B. ponovljeni ogledi u kojima je registrovana samo

K+ struja (IK) ili samo Na+ struja (INa).

tetrodotoksin (TTX) koji blokira voltažno-zavisne kanale za Na+, izaziva blokadu brze ulazne struje, dok se blokiranje spore izlazne struje može izazvati dodavanjem u ekstracelularni rastvor tetraetil amonijuma (TEA), specifičnog blokatora voltažno-zavisnih kanala za K+ (Sl. 24).

Sl. 24. Razdvajanje jonskih kanala za Na+ i K+ pomoću farmakoloških supstanci tetrodotoksina (TTX) i tetraetil amoniuma (TEA) koji se dodaju u ekstracelularni medijum. Gornja serija zapisa: registruje se samo izlazna struja posle dodavanja TTX (blokira Na+ struju). Donja serija zapisa: posle dodavanja TEA (blokira K+ struju) registruje se samo

ulazna struja.

Kada se upotrebom ovih blokatora voltažno-zavisnih kanala odvoji ulazna Na+ struja od izlazne K+ struje, može da se izračuna provodljivost membrane u funkciji potencijala membrane i vremena. Struja kroz svaku klasu aktivnih kanala može biti izračunata prema Ohm-ovom zakonu, na isti način kao i struja kroz pasivne kanale:

(18)

(19)

Voltažno-zavisni kanali za Na+ i K+ se aktiviraju depolarizacijom membrane, ali se razlikuju po vremenu aktivacije i inaktivacije. Kada se membrana depolariše, gK se postepeno povećava, a zatim dostiže plato koji se održava dok traje depolarizacija. Nasuprot K+ kanalima, nakon depolarizacije membrane gNa brzo raste i odmah zatim pada na prvobitni nivo iako se depolarizacija i dalje održava (Sl. 25). Postoje tri konformaciona stanja voltažnih-zavisnih kanala za Na+: zatvoren (pri membranskom potencijalu mirovanja), otvoren, i inaktivisan. Nakon pragovne depolarizacije membrane, kanali za Na+ se otvaraju i ukoliko se depolarizacija održava oni prelaze u inaktivan oblik. U ovom obliku oni se ne mogu ponovo aktivirati depolarizacijom (refraktorni su). Kada se membrana repolariše kanali za Na+ će iz inaktivnog oblika preći u oblik zatvorenog kanala, kada se ponovo mogu aktivirati depolarizacijom. K+ kanali imaju dva konformaciona stanja: zatvoren (pri membranskom potencijalu mirovanja) i otvoren (pri depolarizaciji membrane), a repolarizacijom membrane prelaze iz otvorenog u zatvoreno stanje.

Hočkin i Haksli su takođe postavili i matematički model koji opisuje promene u provodljivosti kroz Na+ i K+ kanale kao funkciju membranskog potencijala i vremena. Koristeći ovaj model i vrednosti za pasivna svojstva aksona može se predvideti oblik i brzina prostiranja akcionog potencijala koji se u potpunosti slaže sa eksperimentalnim rezultatima.

Model Hočkin-Hakslija je objasnio i prag nadražaja nervne ćelije. Podpragovna depolarizacija izaziva ulaznu Na+ struju, međutim ona isto tako povećava i izlaznu struju, IK, kao i izlaznu struju kroz pasivne kanale, I1. Izlazne struje se suprotstavljaju struji koja teži da depolariše membranu. Kako se generiše akcioni potencijal? Stimulus izaziva depolarizaciju membrane, to omogućava otvaranje voltažno-zavisnih Na+-kanala, javlja se ulazna Na+ struja koja vrši dalju depolarizaciju, a to izaziva dalje otvaranje Na+-kanala, i još veći ulazak Na+ jona u ćeliju. To je tzv. samoregenerativni ciklus (pozitivna povratna sprega) koji može da dovede do geneze akcionog potencijala (Sl. 26).

Sl. 26. Samoregenerativni ciklus depolarizacije membrane.

Ovom procesu se suprotstavlja povećanje provodljivosti membrane za jone K+, obzirom da depolarizacija otvara i voltažno-zavisne K+-kanale, pri čemu izlazna struja kalijuma izaziva repolarizaciju membrane. Medjutim, treba naglasiti da se Na+ kanali otvaraju mnogo brže nego K+. Geneza akcionog potencijala će se odigrati na onom potencijalu membrane na kome se neto jonska struja (INa +IK +I1) menja od izlazne ka ulaznoj, odnosno na onom potencijalu membrane na kome je INa > IK+I1.

Sl. 27. Promene provodljivosti membrane za Na+ i K+ u funkciji vremena (puna linija) i karakteristike AP (isprekidana linija).

Na sl. 27 prikazana je promena provodljivosti membrane za Na+ i K+ tokom trajanja akcionog potencijala. Jasno se uočava da se povećanje provodljivosti membrane za jone Na+ poklapa sa depolarizacionom fazom akcionog potencijala, dok se povećanje provodljivosti membrane za jone K+ poklapa sa repolarizacijom membrane. Tokom akcionog potencijala voltažno-zavisni kanali za Na+ i K+ prolaze kroz pojedina konformaciona stanja. Akcioni potencijal će se generisati ukoliko se dovoljno brzo izvrši depolarizacija do tzv. tačke okidanja kada započinje proces koji se ne može zaustaviti. Pri depolarizaciji tačke okidanja (za oko 15 mV u odnosu na MPM) otvoren je dovoljan broj voltažno-zavisnih Na+-kanala i ulazna Na+-struja izaziva depolarizaciju do nule i inverziju polarizovanosti do +35

Sl.25. Promena provodljivosti membrane za Na+ (gNa) povećava se odmah posle depolarizacije a zatim se naglo smanjuje na početne vrednosti, dok promena provodljivosti za jone K+ (gK) sporije raste i održava se dok traje depolarizacija. Promena provodljivosti membrane za ove jone je graduisana pojava u funkciji veličine nametnute

depolarizacije.

0 1

mV, ukoliko je vrednost MPM –70 mV. U tom slučaju ravnotežni potencijal za Na+ iznosi +60 mV. Inverzija polarizovanosti nikada ne dostiže vrednost ravnotežnog potencijala za Na+. Naime, provodljivost membrane za jone Na+ smanjuje se kao rezultat inaktivacije Na+ kanala, još dok AP ne dostigne najveću vrednost u inverziji. Drugo, u toku inverzije, električni gradijent na membrani je obrnut i to takodje smanjuje ulazak Na+ jona. Pored toga, u to vreme raste provodljivost membrane za jone K+, oni izlaze iz vlakna i vrši se repolarizacija membrane. U periodu naknadne hiperpolarizacije K+ kanali su još uvek otvoreni i izlazak K+ izaziva hiperpolarizaciju, zatim se K+ kanali zatvaraju i potencijal se vraća na stanje mirovanja. Tokom AP Na+ ulazi u vlakno, a K+ izlazi, ali broj jona koji prolaze kroz membranu nije velik, i iznosi za svaki jon oko 4 pmol/cm2 membrane. Eksperimentalno je pokazano da za vreme aktivnosti nervno vlakno gubi K+, a nagomilava Na+, ali se merljive razlike u koncentraciji tih jona mogu opaziti tek nakon dugotrajnog i ponovljenog nadraživanja.

Za vreme trajanja AP, membrana se nalazi u ARF, a uzrok je inaktivacija Na+ kanala, kao i izlazna K+ struja u tom vremenskom periodu. Oba ova faktora sprečavaju nastanak novog akcionog potencijala i prema tome, membrana je nenadražljiva, odnosno, nalazi se u refraktornoj fazi. Tokom naknadne hiperpolarizacije membrane, nadražljivost je smanjena i membrana se nalazi u relativnoj refraktornoj fazi (RRF), zbog toga što nisu svi K+ kanali zatvoreni. Ovo je ilustrovano na sl. 28. Na slici 29. prikazano je kako se menja vrednost tačke okidanja tokom relativne refraktorne faze.

Sl.29. Ilustracija smanjene nadražljivosti tokom relativne refraktorne faze membrane kada traje hiperpolarizacija nakon akcionog potencijala. Drugi akcioni potencijal rezultat je primene stimulusa daleko većeg intenziteta od pragovnog, jer je tačka okidanja daleko od MPM. Sledeci stimulus je bio bliži intenzitetu praga nadražaja jer

je i tačka okidanja bila bliže normalnim vrednostima.

2.4.3. Voltažno-zavisni jonski kanali

U membranama nadražljivih ćelija postoji veliki broj voltažno zavisnih kanala za Na+, K+ i Ca2+ jone. Neki neuroni i mišićne ćelije imaju i voltažno-zavisne Cl- kanale. Takođe, mnogi neuroni imaju voltažno zavisne kanale koji dozvoljavaju prolaz jednovalentnim katjonima (Na+ i K+), a koji se sporo aktiviraju hiperpolarizacijom membrane. Ovi kanali označeni su kao h-tip kanala. Obzirom da se otvaraju pri vrednostima bliskim ravnotežnom potencijalu za K+, izlazna K+ struja biće daleko manja od ulazne Na+ struje, pa će otvaranje tih kanala da omogući pojavu ulaznih depolarizirajućih struja kada se membranski potencijal nalazi na vrednostima ispod i oko potencijala mirovanja. U Purkinjevim ćelijama srca takvi katjonski kanali su kritični za spontano generisanje akcionih potencijala.

Voltažno-zavisni jonski kanali su proteinski molekuli koji sadrže centralnu poru ispunjenu molekulima vode, naponski senzor i deo pore označen kao selekcioni filter za jone koji omogućava da kanali budu selektivni za pojedinačne jone. Farmakološka i elektrofiziološka istraživanja ukazala su na ogromnu raznovrsnost K+ kanala, dok voltažno-zavisnih Na+ i Cl- kanala ima manji broj. Pokazano je da kod sisara 9 gena kodira familiju Na+ kanala, 10 gena familiju Ca2+ kanala, dok za K+ kanale postoji preko 100 gena.

Voltažno-zavisni Na+ kanali mogu da se klasifikuju u dva tipa: TTX-senzitivni i TTX-nesenzitivni. TTX-nesenzitivni kanali se ne blokiraju otrovom tetradotoksinom i imaju sporiju kinetiku od TTX-senzitivnih. Sisarski TTX senzitivan-Na+ kanal se sastoji iz α-subjedinice povezane sa β1 i β2 subjedinicama. α-subjedinica ima 4 ponovljena domena. Svaki domen ima 6 TM segmenata (S1-S6), S4 je naponski senzor, a P-segment izmedju S5 i S6 učestvuje u formiranju selekcionog filtera (Sl. 30). S4 segment koji funkcioniše kao naponski senzor sastoji se od ponovljenih tripleta aminokiselinskih ostataka: dva hidrofobna ostatka i pozitivno naelektrisan ostatak arginina ili lizina. Osnovna funkcija Na+ kanala jeste brza depolarizacija membrane i formiranje uzlazne faze akcionog potencijala. TTX-senzitivni kanali se vrlo brzo inaktivišu čim potencijalna razlika na membrani dostigne 0 mV i pređe u inverziju polarizovanosti. Segment odgovoran za inaktivaciju povezuje 3TM i 4TM domen i sastoji se od tri hidrofobna aminokiselinska ostatka («h vrata»). Ukoliko se izvrši zamena ovih aminokiselinskih ostataka sa hidrofilnim ostacima, takav kanal ne ulazi u inaktivno stanje. Kada je membrana u stanju mirovanja, voltažno-zavisan Na+ kanal je u zatvorenom stanju: «m vrata» su zatvorena, a «h vrata» su otvorena. Naime, negativno naelektrisana unutrašnja strana membrane «drži» pozitivno naelektrisan S4 segment bliže unutrašnjoj stani membrane. Jedan od pozitivno naelektrisanih aminokiselinskih ostataka

Sl. 28. Prikaz promena nadražljivosti membrane nervnog vlakna tokom trajanja akcionog potencijala. Gornji deo slike predstavlja zapis akcionog potencijala. Središnji deo slike predstavlja promenu praga nadražaja membrane iskazanu kao intenzitet stimulusa koji je potrebno primenuti da bi se generisao akcioni potencijal: (1) označava intenzitet praga nadražaja; (2) označava potpuni gubitak nadražljivosti; (3) označava da je potrebno primenuti intenzitet daleko veći od praga nadražaja da bi se dostigla tačka okidanja i (4) da je potrebno primenuti intenzitet stimulusa nešto veći od intenziteta praga nadražaja da bi se generisao akcioni potencijal, odnosno ilustruje da se potencijal vraća ka vrednosti MPM. Donji deo slike ilustruje u kom procentu su Na+ kanali inaktivisani, odnosno K+ kanali otvoreni tokom trajanja akcionog

potencijala.

u S4 je uronjen u zid pore pri čemu je u interakciji sa negativno naelektrisanim aminokiselinskim ostatkom drugog segmenta. Ostatak S4 segmenta orijentisan je prema centralnoj pori. U takvoj konformaciji segment polipeptidnog lanca orijentisan ka citoplazmatičnoj strani zatvara poru sa unutrašnje strane, tzv. «m vrata». Kada dođe do depolarizacije membrane, S4 segment se pomera prema ekstracelularnoj strani membrane, «m vrata» se otvaraju i javlja se ulazna Na+ struja. Nakon otprilike jedne milisekunde dolazi do zatvaranja «h vrata» (deo između 3TM i 4TM sa citoplazmatične strane ulazi u poru) i kanal se inaktiviše. Dokle god je membrana depolarisana, kanal je u inaktivnom stanju i ne može da se otvori. Tek nakon uspostavljanja membranskog potencijala mirovanja kanal se vraća u zatvoreno stanje, odnosno «m vrata» se zatvaraju, a «h vrata» se otvaraju.

Sl. 30. Šematski prikaz šest TM segmenata u α-subjedinici K+ kanala (označeno na slici sa 1), odnosno isti takav domen u α-subjedinici

Na+ kanala koji se ponavlja četiri puta (označeno na slici sa 2).

Voltažno-zavisni Ca2+ kanali mogu da se klasifikuju u dve grupe: kanali koji se aktiviraju malom depolarizaciom membrane i kanali koji zahtevaju veću depolarizaciju. Prvi su T-Ca2+ kanali (T od transient) i njihova aktivacija

je praćena brzom i kompletnom inaktivacijom. Da bi iz inaktivnog prešli u zatvoreno stanje potrebna je hiperpolarizacija membrane. Unutar druge grupe postoji više podtipova kanala koji se razlikuju prema farmakološkoj i metaboličkoj regulaciji. Takozvani L-Ca2+kanali su osetljivi na dihidropiridine i karakterišu se sporom inaktivacijom. Sreću se izmedju ostalih tkiva i u skeletnoj i srčanoj muskulaturi, i sastoje se od 5 subjedinica, velike α-subjedinice i četiri manje subjedinice: α2, β, γ i δ. Kao i kod Na+ kanala, α-subjedinica ima 4 ponovljena domena i svaki se sastoji od 6 TM segmenata. Svaki domen sadrži naponski senzor (S4), P-segment koji formira selekcioni filter. Postoji i odgovarajuća sekvenca odgovorna za inaktivaciju kanala.

Postoji impresivan strukturni i funkcionalni diverzitet K+ kanala. Preko 100 sisarskih gena kodira subjedinice za K+ kanal. Izlazna K+-struja definiše oblik i trajanje akcionog potencijala. Prisustvo odredjenih tipova K+ kanala u membrani doprinosi specifičnim karakteristikama akcionog potencijala. K+ kanali se sastoje od po četiri α-subjedinice, a sadrže i β-subjedinicu. α-subjedinice u jednom kanalu mogu da budu iste izoforme, ili različite, a sastoje se od 6TM ili 2TM. U ovom drugom slučaju 2TM odgovaraju petom i šestom segmentu α-subjedinice sa 6TM. Četiri glavna podtipa voltažno-zavisnih K+ kanala, koji se razlikuju u kinetici aktivacije, veličini potrebne depolarizacije za aktivaciju, i osetljivosti na različite ligande, jesu: (a) sporo aktivirajući K+ kanali opisani od strane Hočkina i Hakslija (na engleskom delayed rectifier K+ channel; spori rektifikatori); (b) Ca2+-aktivirajući K+ kanali koji se aktiviraju u uslovima povećane intracelularne koncentracije kalcijumovih jona, ali se njihova osetljivost na ove jone značajno povećava u uslovima depolarizacije membrane; (c) A-tip K+ kanala koji se vrlo brzo aktiviraju kada se ćelija depolariše nakon produžene hiperpolarizacije membrane, ali se brzo i inaktiviraju ukoliko depolarizacija traje; (d) obrnuti rektifikatori (engleski inward rectifier K+ channel, Kir) su

K+ kanali koji se aktiviraju hiperpolarizacijom. Termin obrnuti rektifikatori znači da im je provodljivost veća pri ulaznoj no pri izlaznoj struji. Međutim, u fiziološkim uslovima, membranski potencijal nije veći od ravnotežnog za K+ jone, pa ne dolazi do pojave ulazne K+ struje, a izlazna struja stabiliše membranski potencijal mirovanja. Ovi kanali pri većoj depolarizaciji membrane i inverziji polarizovanosti ne propuštaju jone.

A-tip K+ kanala prvo je otkriven kod vinske mušice. U slučaju mutacije ovog kanala pod uticajem etarske anestezije dolazi do snažnog tremora ekstremiteta kod mušice (engleski shaker). Ovaj kanal se karakteriše brzom aktivacijom pri maloj depolarizaciji, ali i brzom inaktivacijom koju mogu da izvrše bilo koja od četiri lopte na N-kraju α-subjedinica (Sl. 31).

Sl. 31. Šematski prikaz dve α-subjedinice A-tipa K+ kanala gde se vidi karakteristična lopta na N-kraju svake subjedinice, kao i P-segment

koji formira poru.

Napred je navedeno da akson sipe može da generiše akcioni potencijal ukoliko se u membrani nalaze dva voltažno-zavisna kanala za jone Na+ i K+. Postavlja se pitanje, zašto onda postoji tako veliki broj različitih voltažno-zavisnih jonskih kanala u membranama neurona. Odgovor je da prisustvo različitih voltažno-zavisnih jonskih kanala u membrani neurona omogućava genezu akcionih potencijala koji se razlikuju po amplitudi, brzini nastanka, vremenu trajanja.

2.4.4. Mehanizam prostiranja akcionog potencijala

U stanju mirovanja membrana nervnog vlakna je polarizovana, elektropozitivna spolja, a elektronegativna sa unutrašnje strane. Tokom akcionog potencijala ova polarizovanost se gubi, i u kratkom vremenskom periodu dolazi do inverzije polarizovanosti. Tada dolazi do kretanja jona iz delova koji su elektropozitivni u područje elektronegativnosti (smer struje u telesnim tečnostima označava kretanje katjona). Dolazi do uspostavljanja kola struje izmedju aktivnog dela membrane (ušće struje) i delova ispred i iza akcionog potencijala. Struja teče iz dela membrane koji je u miru u područje elektronegativnosti (posmatrano sa spoljne strane) (Sl. 32). Gustina struje najveća je u blizini aktivnog dela membrane, a opada eksponencijalno sa udaljenošću od mesta nastanka akcionog potencijala. Uspostavljeno kolo struje izaziva lokalnu depolarizaciju membrane ispred akcionog potencijala. Ova elektrotonična depolarizacija izaziva dostizanje tačke okidanja i genezu akcionog potencijala, koji sada elektrotonički depolariše deo membrane ispred aktivnog regiona.

Prema tome, svojstvo akcionog potencijala da se širi sam od sebe počiva na kružnom toku struje i elektrotoničnoj depolarizaciji dela membrane ispred akcionog potencijala. Intenzitet ovih kružnih struja koje se uspostavljaju izmedju aktivnog i neaktivnog dela membrane je mnogo veći

nego što je minimalni intenzitet struje koju je potrebno primeniti da bi se membrana u miru depolarisala do tačke okidanja. Zato se kaže da membrana poseduje sigurnosni faktor u odnosu na prostiranje akcionog potencijala. Lokalne kružne struje ne aktiviraju deo membrane koji je neposredno pre bio aktivan (“akcioni potencijal ne depolariše do tačke okidanja deo membrane iza sebe”), jer se taj deo membrane nalazi u stanju refraktornosti.

Drugim rečima, brzina prostiranja akcionog potencijal je mnogo veća no što je brzina repolarizacione faze akcionog potencijala na datom segmentu membrane.

U nemijeliziranim vlaknima svaki segment membrane uključen je u prostiranje akcionog potencijala. U mijeliziranom vlaknu akcioni potencijal se takodje širi uspostavljanjem lokalnog kružnog toka struje

i sukcesivne depolarizacije dela membrane ispred aktivnog regiona. Medjutim, kako je mijelinski omotač dobar izolator, tok struje kroz njega je zanemarljivo mali, pa se akcioni potencijal širi skokovito od jednog do drugog Ranvijer-ovog čvora. Zbog toga je brzina provodjenja akcionog potencijal u mijeliniziranom vlaknu mnogo veća nego u nemijeliniziranom. Ukoliko se izvrši blokada jednog Ranvijerovog čvora, lokalne kružne struje depolarisaće sledeći nodus do tačke okidanja. Membrana Ranvijerovog nodusa ima vrlo mali prag nadražaja u odnosu na membranu nemijeliziranog vlakna, jer poseduje daleko veći broj voltažno-zavisnih jonskih kanala za Na+ u odnosu na membranu nemijeliziranog vlakna.

2.4.5. Faktori koji utiču na brzinu prostiranja akcionog potencijala

Brzina prostiranja akcionog potencijala veoma varira i zavisi od karakteristika vlakna. Neka nervna vlakna provode akcioni potencijal brzinom od 0.1 m/sekundi, a motoneuron brzinom od 120m/sekundi. Na brzinu prostiranja utiče nekoliko faktora. Ograničavajući faktor jeste elektrotonička depolarizacija dela membrane ispred akcionog potencijala. Prostorna i vremenska konstanta ove elektrotoničke depolarizacije zavise od otpora aksoplazme, kao i od kapaciteta membrane. Naime, prema Omovom (Ohm) zakonu što je veći otpor aksoplazme to će jačina lokalnih kružnih struja biti manja, a trebaće više vremena da se izvrši smanjenje polarizovanosti susednog dela membrane. S druge strane, kako je ∆V=∆Q/C, membranski potencijal će se sporo menjati ako je struja male jačine jer se ∆Q sporo menja. Slično, veći kapacitet membrane znači da će trebati više naelektrisanja da bi se izvršila promena membranskog potencijala. Prema tome, vreme potrebno da se depolarizacija proširi duž aksona određena je aksijalnim otporom i kapacitetom membrane (RuxCm). Smanjenje ovog proizvoda ubrzava elektrotoničku

depolarizaciju susednih delova membrane. To znači da brzina prostiranja može da se poveća smanjenjem otpora aksoplazme, kao i smanjenjem kapaciteta membrane. Prvi način podrazumeva povećanje dijametra aksona. Aksoni čiji je prečnik 1 mm sreću se kod nekih beskičmenjaka (na primer akson sipe) i oni imaju relativno veliku brzinu prostiranja. Prečnik aksona kod kičmenjaka varira od 1 µm do 50 µm što je neuporedivo manje u odnosu na džinovske aksone beskičmenjaka. Međutim, kod kičmenjaka se mijelinizacijom nervnog vlakna povećava otpor plazma membrane, pa se akcioni potencijal širi skokovito od jednog do drugog Ranvijerovog čvora. Prag nadražaja dela membrane obavijenog mijelinskim omotačem je osam puta veći u odnosu na Ranvijerov čvor. Brzina generisanja akcionog potencijala, odnosno dostizanje tačke okidanja takođe utiče na brzinu prostiranja akcionog potencijala. Ako se u eksperimentalnim uslovima smanji ekstracelularna koncentracija Na+ doći će do sporijeg generisanja akcionog potencijala, pa će i brzina prostiranja biti manja. Promena temperature takođe utiče na brzinu prostiranja akcionog potencijala, povećana temperatura ubrzava, a sniženje temperature usporava prostiranje akcionog potencijala.

2.4.6. Složeni akcioni potencijal nerva i Erlanger-Gaserova klasifikacija

Složeni akcioni potencijal nerva registruje se ukoliko se aktiviraju sva nervna vlakna u okviru jednog nerva, i ukoliko se registrujuće elektrode postave dovoljno daleko od stimulatornih. Tada se dobija zapis sa više vrhova. Ukoliko su registrujuće elektrode blizu stimulatornih dobija se zapis sa jednim vrhom. Razlog je različita brzina prostiranja akcionog potencijala u pojedinačnim vlaknima.

Kako se nerv sastoji od nervnih vlakana koja imaju različit prag nadražaja, akcioni potenijal nerva

Sl. 32 Šematski prikaz mehanizma prostiranja akcionog potencijala. (a) lokalne kružne struje (1) izazivaju elektrotoničku depolarizaciju susednog dela membrane uz aktivni segment na kome traje akcioni potencijal (AP); (b) akcioni potencijal se proširio na sledeći segment pri čemu slika ilustruje da se akcioni potencijal mnogo brže širi no što se membrana zahvaćena akcionim potencijalom repolariše; (c) ilustruje smanjenje amplitude depolarizacije sa udaljenošću od pika akcionog potencijala, (2) označava amlitudu AP, (3) označava region membrane gde je depolarizacija iznad tačke okidanja, a (4) označava rastojanje na kome je membranski potencijal jednak vrednosti u mirovanju, odnosno

membrana nije zahvaćena elektrotoničkom depolarizacijom.

3odstupa od zakona «sve ili ništa». Naime, povećanje intenziteta stimulusa od pragovnog, kada se u odgovor uključuju ona nervna vlakna čiji je prag dostignut, do maksimalnog intenziteta, kada su sva nervna vlakna aktivna, prati povećanje amplitude akcionog potencijala.

Tip vlakna Prečnik (µm) Brzina (m/sek) Trajanje šiljka (milisekunde)

Trajanje ARF (milisekundi)

Funkcija

Aα 12-20 70-120 0.4-0.5 0.4-1 somatska motornaβ 5-12 30-70 0.4-0.5 0.4-1 dodir, pritisakγ 3-6 15-30 0.4-0.5 0.4-1 γ motoneuroniδ 2-5 12-30 0.4-0.5 0.4-1 bol, temperaturaB < 3-15 1.2 1.2 preganglijskaC-dorzalni koren 0.4-1-2 0.5-2 2 2 bolC-simpatička 0.3-1-3 0.7-2.3 2 postsimpatička

Mišićne ćelije su nadražljive i mogu generisati akcioni potencijal čije prostiranje duž ćelijske membrane izaziva kontrakciju i pretvaranje hemijske energije u mehanički rad. Električna aktivnost na nivou membrane, inicira mehanički odgovor mišićne ćelije, čime se ostvaruje njena efektorna funkcija. Mišićne ćelije nose naziv mišićna vlakna, a nastaju tokom embriogeneze spajanjem većeg broja embrionalnih mišićnih ćelija. Stoga su odrasle ćelije višejedarne i nemaju sposobnost deobe, tako da je, nakon rođenja, u organizmu prisutan ukupan broj mišićnih vlakana. Međutim, mišićna vlakna imaju sposobnost rasta i povećanja volumena, što posebno dolazi do izražaja pri rastu organizma, kao i stalnoj fizičkoj aktivnosti. Ovo je posebno značajno za mišićne ćelije u sklopu skeletnih mišića čiji se volumen značajno povećava odgovarajućim fizičkim aktivnostima i odgovarajućom ishranom.

Mišići kičmenjaka mogu, na osnovu morfoloških karateristika, da se grupišu u tri kategorije: (a) skeletni mišići; (b) srčani mišić i (c) glatki mišići. Skeletni mišići

Poglavlje 3.

MIŠIĆITabela 2. Erlanger-G aserova klasifikacija

karakterišu se poprečnom prugavošću, i ne kontrahuju se u odsustvu nervne stimulacije. Srčani mišić je takođe poprečno-prugasta muskulatura, ali funkcioniše kao sincicijum i karakteriše se spontanom ritmičkom aktivnošću zahvaljujući ćelijama nodalnog tkiva koje generišu akcione potencijale u odsustvu inervacije. Glatka muskulatura nije poprečno-prugasta. Glatki mišići u zidu unutrašnjih organa su viscelarna muskulatura, funkcionišu kao sincicijum, i sadrže ćelije koje spontano generišu akcione potencijale. S druge strane, višejedinična glatka muskulatura oka i nekih drugih organa nije spontano aktivna.

3.1. SKELETNI MIŠIĆ

3.1.1. Organizacija mišićnog vlakna, kontraktilni proteini

Skeletno mišićno vlakno karakteriše poprečna prugavost. To je rezultat pravilno rasporedjenih tankih i debelih niti u okviru miofibrila koji su poredjani paralelno duž mišićnog vlakna. Razlikuju se anizotropna (A) zona koja dvostruko prelama svetlost, jer sadrži i tanke i debele niti, pri čemu je deo A zone gde ne dopiru tanke niti označen kao H zona, i izotropna (I) zona koja sadrži samo tanke niti i u čijoj sredini se nalazi Z-membrana. Deo od jedne do druge Z-membrane predstavlja sarkomeru, dužinsku jedinicu miofibrila (Sl. 33). Fiziološka dužina sarkomere iznosi od 1.5-3.5 µm. Ćelijska membrana označena je kao sarkolema, a citoplazma kao sarkoplazma. Miofibrile su okružene bogato razvijenim sarkoplazmatskim retikulumom koji se proteže od jednog do drugog T-tubularnog sistema (invaginacija sarkoleme u nivou Z-membrana ili na prelazu A u I zonu). U blizini T-tubula sarkoplazmatski retikulum sadrži terminalne cisterne u kojima su smešteni Ca2+ joni. Na poprečnom preseku, T-tubula i dve terminalne cisterne sa obe strane formiraju tzv. trijade (Sl. 34). Mišićno vlakno sadrži puno mitohondrija zbog potreba za energijom.

Debele niti sačinjavaju miozinski molekuli. Oni sačinjavaju 60 – 70% od ukupno prisutnih proteina u mišićnom vlaknu. Sastoje se od šest visoko konzervisanih polipeptidnih lanaca od kojih 2 teška lanca imaju fibrilarni i globularni deo (Sl. 35). C-kraj teškog lanca formira dugačak fibrilarni rep u formi α-heliksa, a N-kraj formira globularni deo označen kao miozinska glava. Dva repa uvijaju se nalevo kao kalem i formiraju štapičasti deo molekule. Miozinske glave imaju prečnik od oko 17 nm, spojene su sa dugačkim repom (156 nm) koji na udaljenosti od 43 nm od glave ima segment koji funkcioniše kao

šarka. Dejstvom tripsina molekul miozina se cepa na tzv. laki i teški meromiozin. Laki predstavlja veći deo repa, a teški obuhvata glavu i vrat (repni deo molekule do šarke). Teški meromiozin može pod dejstvom papaina da se razdvoji u fragmente S1 i S2; dva S1 fragmenta predstavljaju globularne delove teških lanaca tj. glave, a S2 je preostali deo repa, odnosno vratni deo do „šarke”. U ovom delu molekule svaki α-heliks vratnog dela funkcioniše kao poluga. U svakoj glavi nalaze se po jedan lanac od dva para lakih lanaca miozina. Jedan par su regulatorni lanci koji su locirani u bazi vrata (mogu da budu fosforilisani specifičnom kinazom, i defosforilisani specifičnom fosfatazom), a drugi su označeni kao esencijalni i nalaze se bliže miozinskoj glavi. Miozinska glava funkcioniše kao ATP-aza, odnosno vezuje ATP i katališe njegovu hidrolizu. Međutim, u odsustvu aktina enzimska aktivnost je slaba i produkti reakcije ostaju vezani u katalitičkom centru. U glavi se nalazi i vezno mesto za aktin predstavljeno aminokiselinskim ostacima lizina. Jedna debela (miozinska) nit sastoji se od nekoliko stotina miozinskih molekula pakovanih tako da

se miozinske glave projektuju sa oba kraja, a odsustvuju jedino u sredini niti i taj deo na nivou sarkomere formira tzv. M liniju(Sl. 33).

Sl. 35. Molekul miozina.

Tanke niti sastoje se od aktina, tropomiozina i troponina (Sl. 36). Monomerni G-aktin polimerizuje se u fiziološkim uslovima u prisustvu ATP u fibrilarni F-aktin. Dva lanca F-aktina medjusobno se upliću i daju osnovu tanke niti. Tropomiozin je homodimer, a dva lanca su medjusobno upletena. Tropomiozinske molekule povezuju se po principu glava-rep i formiraju fibrilarnu strukturu koja se umeće u ulegnuće F-aktinskog heliksa, tako da je svaka tropomiozinska molekula u kontaktu sa sedam aktinskih monomera. Troponin se sastoji od tri subjedinice: TnC je Ca2+-vezujući protein; TnI se vezuje za aktin; TnT se vezuje sa tropomiozinom na mestu spajanja glava-rep dve tropomiozinske molekule. U mirovanju, svaki molekul tropomiozina prekriva po sedam veznih mesta na aktinu za miozin. Vezna mesta na aktinu predstavljaju ostaci aspartata i glutamata.

Ostali proteini koji kontrolišu organizaciju miofibrila su aktinin koji vezuje aktin za Z-membranu, titin, veliki protein koji povezuje Z-membrane sa M-zonom miozina i dezmin koji vezuje Z-membranu za sarkolemu. Veliki protein distrofin (molekulska masa 427000) formira štapiće koji povezuju aktinske filamente i transmembranski proteinβ-distroglikan u sarkolemi. Distrofin čini svega 0.002% od ukupnih proteina u mišićima. Međutim,

Sl. 33. Morfologija skeletne muskulature (objašnjenje u tekstu)

Sl. 34. Sarkotubularni sistem, trijade.

0 1

vrlo je značajan kao „kotva” za specifične membranske glikoproteine. U slučaju nekih vrsta mišićne distrofije gen za distrofin sadži delecije ili duplikacije jednog ili više egzona. Inače, koliko je do sada poznato, gen za distrofin sadrži najviše introna, ukupno 70, i 65 egzona. Nalazi se na x-hromozomu. 3.1.2. Molekulska osnova mišićne kontrakcije

Tokom mišićne kontrakcije dolazi do skraćenja sarkomere (Sl. 37). Ne menja se dužina tankih i debelih niti, ali se smanjuje I zona i H zona u okviru A zone. Prema modelu klizećeg filamenta, snaga mišićne kontrakcije nastaje u procesu kliženja aktinskih medju miozinske niti. Kliženje aktinskih medju miozinske niti odvija se naizmeničnim uspostavljanjem i prekidanjem poprečnih veza izmedju miozinske glave i aktina i ponavljanjem tog ciklusa više puta, pri čemu se miozinske glave svaki put vezuju za aktinske monomere koje se nalaze bliže Z-membrani. To rezultira skraćenjem sarkomere. Predpostavlja se da miozinske glave u jednoj molekuli

formiraju vezu sa aktinom nezavisno jedna od druge, i da je u datom momentu samo jedna od dve glave u kontaktu sa aktinom.

Sl. 37. Šematski prikaz promena odnosa filamenata u sarkomeri tokom kontrakcije.

Uprošćena verzija formiranja i prekidanja veza (poprečnih mostova, engleski crossbridge) aktin-miozin prikazana je na slici 38. Važno je naglasiti da aktin i miozin spontano formiraju kompleks. Takođe, kada se izolovani miozin veže za ATP, on ispoljava ATP-aznu aktivnost, ali nastali produkti ADP i Pi veoma sporo se oslobađaju od miozina. Međutim, ako je prisutan aktin i ako je vezan za miozin, onda je ATP-azna aktivnost miozina mnogo veća i dolazi do oslobađanja produkata reakcije. Znači, vezivanje aktina za kompleks miozin-ADP-Pi energetski je favorizovan proces. To ima za posledicu odvajanje ADP i Pi i „pravljenje” mesta za novi molekul ATP, a to izaziva disocijaciju kompleksa

aktin-miozin. Dakle, aktin povećava ATP-aznu aktivnost miozina, a ATP izaziva disocijaciju miozina od aktina, jer smanjuje afinitet miozina za aktin. Ciklus formiranja i prekidanja veza aktin-miozin, može da se prikaže u ciklusu od nekoliko etapa. Tokom tog ciklusa miozin prolazi kroz dva stanja: (a) visoko-energetsko stanje podrazumeva kompleks miozin-ADP-Pi koji sadrži „zarobljenu” energiju hidrolize ATP; i (b) nisko-energetsko stanje u koje miozin ulazi nakon što se „zarobljena” energija oslobodi i obezbedi promenu položaja miozinske glave u odnosu na ostali deo molekule, što omogući da se aktinska nit pomeri prema centru sarkomere. Kompleks miozin-ADP-Pi ne može da se formira jednostavnim mešanjem miozina, ADP i Pi što ukazuje je to visoko-energetski međuproizvod u kome se „konzervira” energija hidrolize ATP.

U mirovanju, miozin se nalazi u visoko-energetskom stanju u kompleksu sa ADP i Pi. Vezna mesta na aktinu su pokrivena tropomiozinom, tj. inhibisana. Kada je mišićno vlakno aktivno vezna mesta na aktinu su dezinhibisana, a to se vrši promenom konformacije troponina. Naime, kada se za TnC vežu četiri jona Ca2+, dolazi do promene konformacije troponina, i tropomiozin vezan za TnT se pomera, pa se otkrivaju vezna mesta na aktinskim subjedinicama. Tada započinje ciklus stvaranja i raskidanja poprečnih veza aktin-miozin.

Sl. 38. Ciklus uspostavljanja i prekidanja poprečnih veza izmedju aktina i miozina. Objašnjenje u tekstu.

(1) Prva etapa predstavlja vezivanje miozina za aktin. Miozin se nalazi u visoko-energetskom stanju, u kompleksu sa ADP i Pi. U toj konformaciji miozin ima visok afinitet za aktin i dezinhibicija veznih mesta na aktinu omogućava formiranje veze miozin-aktin.

(2) Druga etapa predstavlja „zaveslaj”. Vezivanje miozina za aktin izaziva oslobadjanje Pi i ADP, što izaziva konformacione promene. Glava miozina se pomera u odnosu na ostali deo molekule pri čemu se molekul savija u regionu „šarke”. Glava se pomera prema centru sarkomere, tj. pravi „zaveslaj” i prelazi u nisko-energetsko stanje, a pri tome aktinski filamenti klize ka centru sarkomere.

(3) Treća etapa je uspostavljanje čvršće veze izmedju miozina i aktina. U nisko-energetskom stanju veza miozin-aktin postaje čvršća i to stanje se naziva rigor.

(4) Četvrta etapa predstavlja razdvajanje miozina i aktina. Nov molekul ATP ulazi u katalitički centar u miozinskoj glavi, što izaziva konformacione promene i smanjenje afiniteta miozina za aktin, pa dolazi do disocijacije miozinske glave od aktina.

(5) Miozin hidrolizuje ATP, produkti se ne odvajaju i formira se visoko-energetski kompleks miozin-ADP-Pi.

Ukoliko je koncentracija Ca2+ iznad pragovnih vrednosti, ciklus se ponavlja. Kada se Ca2+ ukloni iz sarkoplazme aktivnim transportom u sarkoplazmatski retikulum, dolazi do relaksacije. Vraćanje Ca2+ u sarkoplazmatski retikulum vrši se Ca2+ pumpom koja ubaci dva jona Ca2+ a pri tome hidrolizuje jedan molekul ATP.

Svaka debela nit sadrži oko 500 miozinskih glava, a svaka od njih prođe kroz oko 5 ciklusa u sekundi tokom brze kontrakcije. Obzirom da postoji veliki broj miozinskih glava, dovoljno energije za puno skraćenje sarkomere

Sl. 36. Šematski prikaz rasporeda kontraktilnih proteina u tankoj niti. A-aktin; M-miozin; TM-tropomiozin; T-troponin T; C-troponin

C; I-troponin I (objašnjenje u tekstu).

(mišićnog vlakna) obezbedi se u velikom broju slučajeva za manje od 1/10 sekunde.

3.1.3. Akcioni potencijal skeletnog mišićnog vlakna

Akcioni potencijal skeletnog mišićnog vlakna sličan je akcionom potencijalu nervnog vlakna uz određene kvantitativne razlike. MPM iznosi -90 mV. Amplituda akcionog potencijala je 140 mV, odnosno prebačaj dostiže +50 mV. Akcioni potencijal traje 2-4 milisekunde, a apsolutna refraktorna faza od 1-3 milisekunde. Brzina prostiranja akcionog potencijala je 5 m/s. Ulazna Na+ i izlazna K+ struja kroz voltažno-zavisne kanale odgovorne su za depolarizacionu odnosno repolarizacionu fazu akcionog potencijala.

3.1.4. Sprega izmedju električne i mehaničke aktivnosti mišića

Svakoj kontrakciji prethodi prostiranje akcionog potencijala duž sarkomere. Ulazak depolarizacije na nivou trijada izaziva aktivaciju rijanodinskog receptora u membranama terminalnih cisterni sarkoplazmatskog retikuluma. Rijanodinski receptor je jonski kanal za Ca2+, i u skeletnoj muskulaturi organizovan je tako da se N-kraj ovog proteina (više od 90% polipeptidnog lanca je van membrane terminalnih cisterni) nalazi u fizičkom kontaktu sa voltažno-zavisnim L Ca2+ -kanalima, tzv. dihidropiridinskim receptorima (naziv zbog blokatora dihidropiridina) koji funkcionišu kao naponski senzori, a smešteni su u membranama T-tubula. Depolarizacija membrane T-tubula izaziva aktivaciju ovih kanala, a to aktivira rijanodinske receptore, kanali se otvaraju i Ca2+ izlazi iz terminalnih cisterni. Povećanje koncentracije Ca2+ u sarkoplazmi iznad 10-7 mol/L omogućava njegovo vezivanje za TnC, a promena konformacije troponina pomera tropomiozin i oslobadja na aktinu vezna mesta za miozin. Započinje ciklus poprečnih veza izmedju

miozina i aktina i kliženje aktinskih medju miozinske niti. Ciklus se ponavlja sve dok je koncentracija Ca2+ iznad 10-7 mol/L i taj vremenski period označen je kao aktivno stanje. Aktivno stanje odgovara skraćenju sarkomere. Za relaksaciju je neophodno aktivno pumpanje Ca2+ u sarkoplazmatki retikulum i vezivanje ATP za miozinske glave, da bi došlo do razdvajanja miozina od aktina. Ukoliko nema dovoljno ATP ne dolazi do prekida poprečnih veza i mišić ostaje kontrahovan (npr. pojava fiziološke kontrakture pri zamoru mišića, ili rigor mortis tj. mrtvačka ukočenost).

Ciklus formiranja poprečnih veza aktin-miozin, nema osobinu refraktornosti. Drugim rečima sve dok je koncentracija Ca2+ jona iznad 10-7 mol/L ciklus će se odvijati i sarkomera će se skraćivati. Kako se akcioni potencijal već završi pre no što započne faza kontrakcije mišićnog trzaja, to znači da je membrana spremna da generiše nov akcioni potencijal kao rezultat primene efikasnog stimulusa (ili pristizanja novog akcionog potencijala motoneuronom i prenošenja signala u nivou neuromuskularne veze). Može se predpostaviti da će nov akcioni potencijal generisan u vreme faze kontrakcije ili pak tokom relaksacije, izazvati novo oslobadjanje Ca2+

jona iz terminalnih cisterni i da će na taj način produžiti vremenski period u kome su miofibrile izložene povećanoj koncentraciji ovih jona. To znači da će se ciklus formiranja veza aktin-miozin produžiti, odnosno da će se kontrakcije sumirati. Ta pojava označena je kao tetanus.

3.1.5. Mehaničke osobine mišića, vremenska korelacija električne i mehaničke aktivnosti

Pored nadražljivosti i kontraktilnosti, mišić poseduje i svojstvo elastičnosti. Primenom sile mišić se isteže, a po prestanku opterećenja mišić se vraća u prvobitno stanje, čime se dokazuje njegovo svojstvo elastičnosti. Medjutim, to vraćanje u prvobitno stanje nije potpuno, jer se deo potencijalne energije koja se javlja kao rezultat istezanja

troši na savladjivanje viskoznosti sarkoleme, sarkoplazme i vezivnog tkiva u mišiću. Taj deo energije oslobađa se kao toplota, pa po prestanku opterećenja mišić ostaje delimično istegnut. Posle odredjenog vremena potrebnog za oporavak mišića, mišić će nadoknaditi taj deo energije i vratiće se u prvobitno stanje. Do kidanja mišića dolazi ukoliko se mišić istegne na dužinu tri puta veću od ravnotežne. Ravnotežna dužina je dužina mišića van organizma. Ova dužina je manja od tzv. dužine mirovanja koju mišić ima u organizmu.

Sl. 39. Mehanički model mišićnog vlakna kao objašnjenje medjuodnosa elastičnih i kontraktilnih elemenata.

Mišić (mišićno vlakno) može da se prikaže kao sistem sastavljen od kontraktilne i elastične komponente (Sl. 39). Kontraktilnu komponentu sačinjavaju aktinske i miozinske niti. Serijsku elastičnu komponentu predstavljaju elementi u sklopu mišića postavljeni serijski u odnosu na miofibrile, a to su tetive koje povezuju mišić za kosti, vezivno tkivo koje povezuje mišićna

vlakna sa tetivama, Z-membrane u miofibrilama, kao i deo miozinske molekule između glave i repa koji menja konformaciju pri zaveslaju. Postoji i paralelna elastična komponenta koju čine sarkolema, i vezivno tkivo oko snopova mišićnih vlakana. U modelu mišićnog vlakna, paralelna elastična komponenta može da se zanemari. Geneza akcionog potencijala izaziva aktivaciju i skraćenje kontraktilne komponente, što ima za posledicu istezanje serijske elastične komponente. Na taj način se energija utrošena za kliženje aktinskih medju miozinske niti transformiše u potencijalnu energiju koja može da se ispolji na nivou mišića kao smanjenje dužine, i/ili kao povećanje napona mišića. Shodno tome razlikuju se dve vrste kontrakcija: izotonične i izometrične.

Sl. 40. Vremenska korelacija električne i mehaničke aktivnosti vlakna skeletnog mišića sisara. a-latentni period; b-faza kontrakcije; c-faza

relaksacije; ARF-apsolutna refraktorna faza.

Sl. 41. Vremenska korelacija električne i mehaničke aktivnosti. Na istoj vremenskoj skali prikazana i promena koncentracije intracelularnog

kalcijuma.

Ako se na istoj vremenskoj skali predstave zapis akcionog potencijala (mehanička aktivnost) i mišićni trzaj kao mehanički odgovor na električnu aktivnost, jasno se uočava da akcioni potencijal prethodi mišićnoj kontrakciji (Sl. 40 i 41). Prosta mišićna kontrakcija, ili mišićni trzaj, sastoji se iz tri faze: (a) latentnog perioda (b) faza kontrakcije i (c) faza relaksacije. Latentni period traje nekoliko milisekundi i predstavlja period od geneze akcionog potencijala do početka kontrakcije. U tom periodu dolazi do oslobađanja jona Ca2+ iz terminalnih cisterni, vezivanja za TnC i započinje ciklus stvaranja veza aktin-miozin. Dolazi do skraćenja kontraktilne komponente mišićnog vlakna i istezanja serijske elastične komponente. Faza kontrakcije može da traje od 10 do preko 100 milisekundi i predstavlja period razvijanja mišićnog napona. U odnosu na vremensku korelaciju sa akcionim potencijalom, započinje nakon završetka apsolutne refraktorne faze, ili po završetku akcionog potencijala (Sl. 40 i 41). Trajanje mišićnog trzaja zavisi od vrste mišića. Kod brzih mišićnih vlakana traje oko 2-3 msec, a kod sporih i do 100-200 msec. Kod m. gastrocnemiusa žabe mišićni trzaj traje ∼ 100 msec (latentni period - 0.01 sekundu, faza kontrakcije - 0.04 sekunde, faza relaksacije - 0.05 sekundi). Postoji korelacija izmedju strukture sarkotubularnog sistema i funkcionalnih karakteristika mišića. Brzi mišići koji se kontrahuju i relaksiraju vrlo brzo imaju visoko razvijen

sarkoplazmatični retikulum i T sistem. Spori mišići imaju manje razvijen sarkoplazmatski retikulum. Na osnovu toga može da se zaključi da je efikasnost sarkoplazmatskog retikuluma u regulisanju koncentracije Ca2+ u sarkoplazmi odgovorna za brzinu odvijanja kontrakcije.

3.1.6. Vrste kontrakcija

Mišićna kontrakcija može da se ispolji na dva načina: promenom tonusa (napona, snage) tzv. izometrična kontrakcija i promenom dužine mišića tzv. izotonična kontrakcija. Kod izometrične kontrakcije ne dolazi do promene dužine mišića, a kod izotonične do promene tonusa tokom skraćenja mišića.

Sl. 42. Šematski prikaz aparature za merenje izotonične (A) i izometrične (B) kontrakcije. A: mišić je pričvršćen za polugu za registrovanje kontrakcija; B: mišić je pričvršćen za pretvarač koji

meri napon u mišiću prilikom izometrične kontrakcije.

Kod izometrične kontrakcije mišić je postavljen tako da je sprečeno njegovo skraćenje (Sl. 42 B). Stimulacija mišića izaziva skraćenje kontraktilnih elemenata, što izaziva

istezanje serijskih elastičnih elemenata (Sl. 43). Razvija se napon (tonus, snaga) označen kao izometrični napon koji je manji od sile koja sprečava skraćenje mišića, i mišić se ne skraćuje i ne vrši spoljašnji rad. Ovakve kontrakcije odigravaju se prilikom održavanja stava i ravnoteže tela, držanja predmeta i slično.

Sl. 43. Mehanički model izometrične kontrakcije. A-mišić u miru; B-skraćenje kontraktilne komponente i razvijanje izometričnog

napona.

Kod izotonične kontrakcije, teret ne vrši istezanje mišića pre stimulacije. Stimulacija mišića izaziva skraćenje kontraktilnih elemenata i istezanje serijskih elastičnih elemenata. Razvija se napon i kada on postane jednak teretu koji mišić nosi, mišić se skraćuje i podiže teret i pri tome dolazi do sve većeg skraćenja kontraktilnih elemenata (Sl. 44). Tokom skraćenja mišića ne menja se napon (zato izotonična kontrakcija). Period do početka skraćenja označen je kao izometrična latenca. Pri izotoničnoj kontrakciji mišić može da vrši spoljašnji rad.

Sl. 44. Mehanički model izotonične kontrakcije. A-mišić u miru; B-skraćenje kontraktilne komponente, istezanje elastične i razvijanje napona koji manji od sile opterećenja (izometrična latenca); C-skraćenje mišića, pri čemu se razvija napon koji dostiže silu

opterećenja, podiže teret.

Pri datoj dužini, skeletno mišićno vlakno na primenu pragovnog intenziteta stimulusa reaguje maksimalno, razvija maksimalan napon pri izometričnoj kontrakciji, odnosno maksimalno se skraćuje pri izotoničnoj kontrakciji. Dalje povećanje intenziteta stimulusa nema efekta na veličinu odgovora mišićnog vlakna. Mišićno vlakno reaguje po tipu odgovora „sve ili ništa”. Ukoliko se vrši direktna stimulacija mišića stimulusima različitog intenziteta, počevši od pragovnog, dolazi do povećanja odgovora sve dok se ne postigne maksimalan odgovor u koji su uključena sva mišićna vlakna.

3.1.7. Odnos između dužine mišića i izometričnog napona

Ako se mišić postavi u uređaj za registrovanje izometričnih kontrakcija, a zatim se vrši njegova stimulacija maksimalnim intenzitetom stimulusa tako da se u odgovor uključe sva mišićna vlakna, registrovaće se promena napona izometrične kontrakcije, ukoliko se stimulacija vrši pri različitim dužinama mišića. Takođe, ukoliko se povećava dužina nestimulisanog mišića doći će do povećanja pasivnog napona (Sl. 45). Napon koji se razvija pri stimulaciji mišića označen je kao ukupan napon, a razlika između ukupnog i pasivnog napona, označena je kao aktivan napon i rezultat je kontrakcije mišića. Iz slike se jasno vidi da aktivan napon dostiže svoj maksimum pri dužini mirovanja mišića, a zatim opada do nule ukoliko se vrši istezanje mišića preko te dužine. Takođe, smanjenje dužine mišića ispod dužine mirovanja smanjuje napon izometrične kontrakcije. Razlog ovih promena napona je odnos aktinskih i miozinskih niti pri različitim dužinama mišića i mogućnost formiranja veza aktin-miozin tokom kontrakcije. Neadekvatan početni položaj ovih niti smanjuje broj veza koje se stvore tokom kontrakcije, pa se manje hemijske energije transformiše u mehaničku. Pri dužini mirovanja, položaj niti omogućava stvaranje maksimalnog broja veza tokom mišićnog trzaja, pa se razvija maksimalan aktivan napon (Sl. 46).

Sl. 45. Odnos između dužine mišuća i napona. Objašnjenje u tekstu.

Sl. 46. Odnos između dužine sarkomere i napona koji se razvija pri izometričnoj kontrakciji

3.1.8. Odnos opterećenja i brzine skraćenja, rad mišića

Kod izotonične kontrakcije brzina skraćenja se smanjuje sa povećanjem opterećenja mišića. Maksimalna brzina se postiže ako je vrednost tereta nula, i u tom slučaju mišić ne vrši spoljašnji rad. Odnos izmedju opterećenja i brzine skraćenja dat je eksponencijalnom funkcijom. Ako je teret dovoljno velik, nema spoljašnjeg skraćenja mišića, i stimulacija mišića rezultiraće izometričnom kontrakcijom.

Sl. 47. Veličina relativnog rada u funkciji opterećenja. 1-maksimalan rad; 2-opterećenje koje isteže mišić na dužinu mirovanja tj. dužinu

pri kojoj vrši maksimalan rad.

Brzina skraćenja mišićnog vlakna pod datim opterećenjem je linearna funkcija broja sarkomera (serijski rasporedjenih izmedju dve tačke tj. krajeva vlakna). Ako se pretpostavi da se sve sarkomere jednog mišićnog vlakna skrate za isti stepen u jedinici vremena, ukupna redukcija dužine po vremenu biće direktno proporcionalna broju sarkomera. To znači da se suprotni krajevi dugog mišića brže približavaju jedan drugom u odnosu na kratak mišić. Takodje znači, da ako dva mišića iste dužine imaju sarkomere različite dužine, brže će se skraćivati mišić čija je dužina sarkomera manja.

Sa porastom opterećenja amplituda izotonične kontrakcije se smanjuje, jer se smanjuje skraćenje mišića. Relativni pokazatelj spoljašnjeg rada koji mišić pri tome vrši je proizvod tereta i puta koji je teret prešao (dobija se na osnovu vrednosti amplitude kontrakcije pri datom opterećenju). Iz grafika (Sl. 47) se vidi da sa porastom opterećenja mišića raste i vrednost spoljašnjeg rada do odredjene maksimalne vrednosti, nakon čega se vrednost rada smanjuje do nule. To se dešava kada se mišić optereti toliko da se spreči njegovo skraćenje. Maksimalan rad mišić vrši pri opterećenju koje isteže mišić na dužinu mirovanja. Pri toj dužini aktinske i miozinske niti nalaze se u rasporedu koji omogućava formiranje maksimalnog broja poprečnih veza izmedju aktina i miozina.

3.1.9. Sumacija kontrakcija

Vremenska korelacija električne i mehaničke aktivnosti mišića omogućava sumaciju kontrakcija tetaničnog tipa kao odgovor na povećanje frekvence stimulusa. Tokom faze kontrakcije i relaksacije membrana je nadražljiva i moguće je u tom periodu delovati novim stimulusom. Ukoliko se novi akcioni potencijali jave tokom faze kontrakcije, ne dolazi uopšte do pojave relaksacije i sumirana kontrakcija je tipa potpunog tetanusa. Ukoliko se naredni akcioni potencijali jave tokom faze relaksacije

sumirana kontrakcija biće po tipu nepotpunog ili zupčastog tetanusa.

Sl. 48. Model izometrične kontrakcije i razvijanje izometričnog napona prilikom mišićnog trzaja ili tetanusa. A-mišić u miru; B-skraćenje kontraktilne komponente i razvijanje izometričnog napona prilikom mišićnog trzaja; C-dalje skraćenje kontraktilne komponente

i održavanje aktivnog stanja prilikom tetanusa.

Kako kontraktilni elementi nemaju refraktorni period, ponovljena stimulacija tokom faze kontrakcije (ili relaksacije) izaziva produženje aktivnog stanja. Izometrični napon koji se pri tome razvija, odnosno amplituda izotonične kontrakcije znatno su veći od odgovora koji se javlja pri pojedinačnom mišićnom trzaju (Sl.48). Povećanje mišićne snage nakon ponovljene stimulacije u odnosu na pojedinačnu, rezultat je produženog trajanja aktivnog stanja, odnosno ponovljenog oslobadjanja Ca++ iz terminalnih cisterni (Sl. 48). Već je rečeno da povećanje koncentracije Ca++ u sarkoplazmi predstavlja okidač za ciklus poprečnih veza izmedju aktina i miozina i kliženje aktinskih medju miozinske niti. Skraćenje kontraktilnih elemenata izaziva istezanje serijskih elastičnih elemenata a to obezbedjuje prenos sile nastale ciklusom poprečnih veza u spoljnu sredinu, odnosno razvijanje napona pri izometričnoj, odnosno skraćenje mišića pri izotoničnoj kontrakciji. Tokom jednog mišićnog trzaja aktivno stanje kratko traje, jer se Ca++ brzo pumpa u sarkoplazmatski retikulum. Za potpuno istezanje serijskih elastičnih elemenata potrebno je više vremena no što je trajanje aktivnog stanja tokom jednog mišićnog trzaja. Stoga napon koji se razvija pri izometričnoj kontrakciji, odnosno

amplituda izotonične kontrakcije pri pojedinačnoj stimulaciji ne odgovara potencijalnom maksimalnom odgovoru mišića. Pri ponovljenoj stimulaciji, produžava se trajanje aktivnog stanja i serijski elastični elementi se istežu potpuno. To je razlog povećanja snage sumirane tetanične kontrakcije.

3.1.10. Zamor mišića

Mišićni zamor se definiše kao nesposobnost mišića da održi maksimalnu snagu tokom odredjenog vremenskog perioda. Zamor nastaje zbog smanjenja vrednosti pH koja može sa 7.0 da padne na čak 6.4. Zamor nije rezultat nagomilavanja mlečne kiseline, jer je pokazano da prisustvo visokih koncentracija laktata, ukoliko se pH održava na vrednostima bliskim 7.0, ne dovodi do zamora mišića. Povećanje koncentracije vodonikovih jona je rezultat pojačane glikolize. Pretpostavlja se da smanjenje pH utiče na aktivnost nekih enzima glikolize, najverovatnije fosfofruktokinaze koja je regulatorni enzim u tom metaboličkom putu. Smanjenjem aktivnosti ovog enzima usporava se glikoliza. Može da se pretpostavi da je zamor adaptacija koja sprečava mišićne ćelije da iscrpe rezerve ATP (naime glikoliza i drugi metabolički putevi u kojima se generiše ATP, troše ATP u pripremnim reakcijama).

3.1.11. Klasifikacija mišićnih vlakana

Na osnovu (1) električnih osobina – reakcije »sve ili ništa« tj. geneza akcionog potencijala ili gradirana reakcija; (2) trajanja aktivnog stanja, što zavisi od broja Ca2+ pumpi, i (3) broja mitohondrija i gustine kapilara, što odredjuje stopu oksidativnog metabolizma i otpornost na zamor, mišići se grupišu u četiri aktegorije: (a) tonička vlakna (nema akcionog potencijala, motoneuron formira ponovljene sinapse pa se T-sistem elektrotonički depolariše, sporo se kontrahuju i sporo razvijaju snagu (kod beskičmenjaka, žaba, gmizavaca i ptica); (b) fazna, crvena tip I, sporo

oksidativ na; (c) fazna, bela tip IIa, brza, oksidativna; (d) fazna, bela tip IIb, brza glikolitička. U tabeli 3 date su karakteristike faznih mišićnih vlakana

Tabela 3. Tri grupe faznih mišića – crvena, tip I, bela, tip IIa i bela, tip IIb

3.1.12. Motorna jedinica i neke osobine mišića u organizmu

U organizmu mišići su inervisani motoneuronima. Jedan motoneuron i sva mišićna vlakna koja on inerviše predstavljaju motornu jedinicu. Broj vlakana u okviru jedne motorne jedinice može da bude od 3-6 kod mišića koji omogućavaju fine pokrete, pa do 120-165 vlakana kod mišića u donjim ekstremitetima. Svaki motoneuron inerviše isti tip vlakana u okviru mišića, a na osnovu vrste mišićnih vlakana motorne jedinice su podeljene na spore i brze. Spore inervišu motoneuroni koji imaju manju brzinu provođenja akcionih potencijala, dok su brze inervisane motoneuronima sa velikom brzinom provođenja akcionih potencijala. U velikim mišićima udova, spore jedinice se prvo aktiviraju u većini pokreta, otporne su na zamor i predstavljaju najčešće korišćene

jedinice. Brze jedinice se lakše zamaraju i uključuju se prilikom određenih specifičnih pokreta. Pri sumaciji kontrakcija tetaničnog tipa mišić razvija kontinuiranu glatku kontrakciju, jer se pojedine motorne jedinice asinhrono aktiviraju. Zato, i ako se motorne jedinice aktiviraju malim brojem akcionih potencijala, kontrakcija će biti glatka, ali sa manje razvijene snage. Skeletni mišići čoveka mogu da razviju napon od 3-4 kg/cm2 poprečnog preseka. Ukupna snaga koju svi mišići zajedno mogu da razviju iznosi 22 tone.

3.1.13. Izvori energije za mišićnu kontrakciju

Trenutni izvori energije za mišićnu kontrakciju su ATP i fosfokreatin, a stalni su intermedijerni metabolizam ugljenih hidrata i masti. Fosfokreatin se resintetiše u Lomanovoj reakciji koja je reverzibilna u ćelijskim uslovima i kontrolisana kreatin kinazom.

fosfokreatin + ADP ⇒ kreatin + ATP(1) u aktivnom mišiću

kreatin + ATP ⇒ kreatinfosfat + ADP(2) u mirovanju

Procesom aerobne razgradnje glukoze do CO2 i H2O oslobadja se 2870 KJ/mol odnosno u standardnim uslovima sintetiše se po molu glukoze 38 odnosno 36 molova ATP. Mišići preuzimaju slobodne masne kiseline iz krvi i u mitohondrijama u procesu β-oksidacije masnih kiselina po 1 molu palmitata oslobadja se 9870 KJ/mol, odnosno sintetiše 129 molova ATP. Skeletni mišići mogu da koriste i ketonska tela koja preuzimaju iz krvi i uključuju u Krebsov ciklus. Anaerobna glukoliza takodje može da obezbedi ATP, po 1 molu glukoze nastaju 2 mola ATP. Korijev ciklus kojim se laktat iz mišića putem krvi prenosi do jetre gde se uključuje u resintezu glukoze bitan je proces obnavljanja energetskih rezervi u formi ugljenih hidrata. Ovaj ciklus je posebno aktivan tokom oporavka mišića nakon intenzivnog rada. Nakon završetka rada,

procesi oksidativnog metabolizma intenzivni su još neko vreme da bi se obnovile rezerve ATP, kreatin fosfata i glikogena. Za to se troše dodatne količine molekulskog O2, tzv. kiseonični dug. On može da bude i šest puta veći od bazalne potrošnje O2, što znači da se može izvršiti i 6 puta veći rad no što bi moglo da nema ovog duga. Kiseonični dug može da nastane brzo ili sporo, drugim rečima manje intenzivan mišićni rad može da traje duže vreme, za razliku od vrlo intenzivnog rada koji se može obavljati u kratkim vremenskim periodima. Trenirane osobe mogu da povećaju potrošnju O2 u svojim mišićima više no netrenirane osobe pa mogu da čine veće napore i za datu veličinu naprezanja prave manji kiseonični dug. Kiseonični dug može da se izmeri odredjivanjem potrošnje O2 posle fizičkog napora do postizanja bazalne potrošnje koja se oduzima od prethodne vrednosti i dobija se vrednost kiseoničnog duga.

3.2. SRČANA MUSKULATURA

3.2.1. Morfologija

Komorno srce, koje se sreće kod kičmenjaka, sastoji se iz pretkomora (1 ili 2) i komora (1 ili 2). Komorni tip srca izgradjen je od mišićnog i nodalnog tkiva, a na prelazu iz pretkomora (atrium) u komore (ventriculum) nalazi se vezivno tkivo.

Mišićno tkivo je izgradjeno od mišićnih vlakana koje karakteriše poprečna prugavost, kao i skeletna mišićna vlakna. Sarkolema formira T-tubule u nivou Z-membrana. Prečnik tubula je mnogo veći nego kod skeletnih mišićnih vlakana. Sarkoplazmatski retikulum je slabije razvijen, nema terminalnih cisterni, pa nema ni klasičnih trijada kao kod skeletnih vlakana. Vlakna srčanog mišića nisu paralelno organizovana kao kod skeletnih mišića, već se račvasto dele, pa ponovo prepleću, gradeći strukturu

Karakteristike Crvena,

tip I spora,

oksidativna

Bela, tip IIa

brza,

oksidativna

Bela, tip IIb

brza,

glikolitička

ATP-azna aktivnost

spora brza brza

Ca++ pumpajući kapacitet SR

umeren visok visok

Prečnik srednji mali velikGlikolitički kapacitet

umeren visok visok

Oksidativni kapacitet

visok visok nizak

Otpornost na zamor

visoka srednja niska

0 1

sličnu mreži, u kojoj je svaka ćelija okružena sarkolemom i predstavlja samostalnu jedinicu (Sl. 49).

Sl. 49. Morfolologija srčanog mišića.

Srčana mišićna vlakna su medjusobno povezana interkalarnim diskovima - strukturom specifičnog izgleda koju izgradjuju sarkoleme na mestu sučeljavanja dva vlakna. Interkalarni disk je sastavljen iz dela koji je poprečno postavljen u odnosu na miofibrile (interfibrilarni region diska) i uzdužno postavljenog dela koji se javlja u sarkoplazmatskom regionu (intersarkoplazmatski region diska) (Sl. 50). U interfibrilarnom regionu diska nalaze se dezmozomi u koje se utkivaju aktinske niti iz Z-membrane krajnjih izotropnih zona miofibrila. Izmedju dezmozoma u intersarkoplazmatskom regionu rasporedjeni su neksusi (porozne veze, gap junction). Neksusi predstavljaju »mostove malog otpora« za prostiranje akcionog potencijala sa jednog na drugo mišićno vlakno, što omogućava da srčana muskulatura funkcioniše kao sincicijum. Elektrotonička depolarizacija koja obezbeđuje širenje akcionog potencijala duž membrane može, preko neksusa, da zahvati sarkolemu susednog mišićnog vlakna i na taj način se akcioni potencijal širi sa jednog na drugo vlakno. Mišićna vlakna koja sačinjavaju pretkomore i vlakna koja grade komore čine dva posebna funkcionalna sincicijuma, medjusobno odvojena vezivnim tkivom.

Sl. 50. Šematski prikaz ultrastrukture srčanog mišića u regionu interkalarnog diska. A- intersarkoplazmatski region; B-interfibrilarni

region.

3.2.2. Nodalno tkivo, sistem za provodjenje akcionog potencijala u srcu

Nodalno tkivo čini poseban sistem za automatsku genezu i prostiranje akcionog potencijala. Kod kičmenjaka je ovaj sistem miogenog tipa i izgradjen je od mišićnih vlakana koja sadrže mali broj snopova miofibrila, poprečna prugavost je slabo izražena i nemaju sposobnost kontrakcije. Kod ptica i sisara ovaj sistem čine: (1) sinoatrijalni (SA) čvor; (2) atrioventrikularni (AV) čvor; (3) AV ili Hisov snop; (4) sistem Purkinjevih ćelija. SA čvor i u manjoj meri AV

čvor sadrže i male okrugle ćelije povezane neksusima, i pretpostavlja se da su to prave “pacemaker” ćelije (P ćelije). Kod sisara se SA čvor nalazi u zadnjem zidu desne pretkomore, neposredno ispod ušća gornje šuplje vene. AV čvor se nalazi u desnom zadnjem delu interatrijalne pregrade. Postoje tri snopa pretkomornih vlakana koje sadrže Purkinjev tip vlakana, a koji povezuju SA i AV čvor. Medjutim, nije još u potpunosti objašnjen značaj ovih snopova u prenosu akcionog potencijala od SA do AV čvora, u odnosu na prenos akcionog potencijala duž membrana mišićnih vlakana pretkomore. AV čvor je jedini provodni put izmedju pretkomora i komora, obzirom na postojanje prstena vezivnog tkiva na prelazu pretkomora u komore. AV čvor se nastavlja u Hisov snop koji se grana u dve grane koje silaze sa leve i desne strane intraventrikularne pregrade, granajući se u veći broj ogranaka tzv. Purkinjev sistem u levoj i desnoj komori (Sl. 51). Kod žabe nema SA čvora u desnoj pretkomori, a nodalno tkivo nalazi se u venoznom sinusu.

Sl. 51. Prikaz sistema za automatsku genezu i provodjenje AP u srcu čoveka (levo) i akcioni potencijali intracelularno registrovani

na pojedinim delovima srca (desno).

Sve ćelije nodalnog tkiva imaju sposobnost spontane, ritmičke geneze akcionog potencijala, ali različitom frekvencom. SA čvor ima najveću frekvencu okidanja akcionog potencijala, pa se označava kao predvodnik srčanog rada (kod žabe predvodnik je nodalno tkivo koje je smešteno u venozni sinus). Ukoliko se on blokira, vodeću ulogu preuzima AV čvor sa manjom frekvencom, a blokada AV čvora rezultira uspostavljanjem aktivnosti drugih delova nodalnog tkiva. Akcioni potencijal koji se javlja u SA čvoru prenosi se na mišićna vlakna pretkomora što izaziva njihovu kontrakciju. Prostiranje akcionog potencijala usporava se pri prolasku kroz spojna vlakna i AV čvor, a zatim se brzina povećava i akcioni potencijal, šireći se preko grana Hisovog snopa i Purkinjevih ćelija, zahvata obe komore što dovodi do kontrakcija komora. Vlakna pretkomore provode akcioni potencijal brzinom od 1.0 m/sekundi, spojna vlakna brzinom od 0.02 m/sekundi, AV čvor 0.05 m/sekundi, AV snop 1.0 m/sekundi, a Purkinjeve ćelije 4 m/sekundi. Usporenje akcionog potencijala u AV čvoru omogućava da se kontrakcija pretkomora javi pre kontrakcije komora. Naime, srce se puni krvlju dok su pretkomore i komore u dijastoli (relaksaciji), zatim sledi kontrakcija pretkomora, što omogući dodatno istiskivanje krvi u komore, a nakon toga kontrakcija komora koja omogućava pumpanje krvi u aortu i plućne arterije.

3.2.3. Jonska osnova prepotencijala

Ćelije nodalnog tkiva nemaju stabilan membranski potencijal mirovanja. Izmedju dva akciona potencijala na membranama nodalnih ćelija javlja se spora depolarizacija označena kao prepotencijal (Sl. 52). Postoji dosta kontraverznih podataka o tome koje jonske struje i kroz kakve kanale omogućavaju početak depolarizacije odnosno pojavu prepotencijala u SA i AV čvoru. Automatizam u Purkinjevim ćelijama je mnogo bolje objašnjen. Nakon akcionog potencijala membranski potencijal u ovim ćelijama dostiže vrednost od -90 mV,

nakon čega sledi ekstremno spori prepotencijal. U plazma membranama ovih, kao i mišićnih ćelija komore, postoje Kir kanali, a izlazna K+ struja kroz ove kanale slabi kako se depolarizacija membrane povećava. Drugim rečima, ovi kanali održavaju membranski potencijal blizu ravnotežnog potencijala za K+. U membranama su prisutni i h-kanali koji se aktiviraju hiperpolarizacijom. Rezultat je ulazna depolarizirajuća Na+ struja i kada se membrana depolariše do oko -70 mV, aktiviraju se voltažno-zavisni Na+ kanali. Ulazna Na+ struja omogućava dostizanje tačke okidanja i genezu akcionog potencijala.

Sl. 52. Jonska osnova prepotencijala.

Ćelije u SA i AV čvoru nemaju Kir kanale, i membranski potencijal ne dostiže vrednost veću od -55mV do -60 mV, tako da se postavlja pitanje aktivacije neselektivnih katjonskih kanala i značaja h-kanala. Prema nekim autorima, u nodalnim ćelijama postoji i ulazna depolarizirajuća struja koju nose Na+ joni. Njen oponent je izlazna K+ struja kroz voltažno-zavisne kanale, koja je odgovorna za repolarizacionu fazu akcionog potencijala. Ova struja se postepeno smanjuje zbog zatvaranja voltažno-zavisnih kanala kako se potencijal približava maksimalnoj vrednosti na kraju akcionog potencijala. Postepena redukcija izlazne struje u prisustvu Na+ struje omogućava postepenu depolarizaciju membrane. Smatra se da bi ovo moglo da bude značajan faktor započinjanja

prepotencijala u nodalnim ćelijama. Bilo da su u pitanju h-kanali koji se aktiviraju hiperpolarizacijom ili neselektivni katjonski kanali, u oba slučaja radi se o ulaznoj Na+struji koja se suprostavlja izlaznoj K+struji čija se jačina smanjuje. U tim ćelijama dostizanje tačke okidanja je verovatno rezultat otvaranja voltažno-zavisnih T-Ca2+ kanala, koji se aktiviraju u odgovoru na malu depolarizaciju membrane. Po dostizanju tačke okidanja otvaraju se voltažno-zavisni L-Ca2+ kanali koji su odgovorni za depolarizacionu fazu akcionog potencijala i ulazak Ca2+ jona. Kako je ulazna Ca2+ struja sporija, depolarizacija tokom akcionog potencijala zahteva više vremena, za razliku od drugih delova nodalnog tkiva i mišićnih vlakana pretkomore i komore gde je depolarizacija rezultat ulazne Na+ struje Repolarizaciona faza akcionog potencijala rezultat je otvaranja voltažno-zavisnih K+ kanala. Pri kraju repolarizacije K+ kanali se zatvaraju, smanjuje se izlazna K+ struja, i ulazna katjonska struja može da izazove prvi deo prepotencijala. Drugim rečima, smanjenje izlazne K+ struje pri kraju repolarizacije, omogućava nastanak prepotencijala. Svi faktori koji menjaju vremenski tok smanjenja izlazne K+ struje menjaju i nagib i trajanje prepotencijala.

3.2.4. Faktori koji utiču na karakteristike prepotencijala

Sl. 53. Modulacija aktivnosti rada srca parasimpatičkom (A) i simpatičkom (B) komponentom vegetativnog nervnog sistema.

Koliko će trajati prepotencijal, ili drugim rečima, koliki će biti nagib prepotencijala zavisi od brzine smanjenja izlazne K+ struje pri kraju akcionog potencijala, što omogućava nastanak prepotencijala. Ukoliko pri kraju akcionog potencijala ne bi došlo do uobičajenog smanjenja propustljivosti membrane za jone K+, pojava prepotencijala bila bi onemogućena, ili bi nagib prepotencijala bio smanjen, odnosno trajanje prepotencijala produženo, što rezultira smanjenjem frekvencije okidanja akcionih potencijala. Ako se to desi u predvodniku srčanog rada, SA čvoru ili venoznom sinusu kod žabe, dolazi do sporijeg rada srca. Ovakav efekat ima parasimpatička komponenta, odnosno neurotransmiter Ach, koji se oslobadja na krajevima postganglijskih vlakana parasimpatičke komponente VNS (Sl. 53). ACh se vezuje za M2 muskarinske receptore. To su G-protein-zavisni receptori. Predpostavlja se da beta-gama subjedinice G proteina interaguju direktno sa ACh-zavisnim Kir kanalima i otvaraju ih. Takođe, ovi receptori mogu preko inhibitornog G-proteina da inhibišu adenilil ciklazu i na taj način smanje nivo cAM, što dovodi do sporijeg otvaranja voltažno-zavisnih T-Ca2+ kanala i poremećaja u nastanku prepotencijala. Otvaranje dodatnih jonskih kanala za K+, sprečava gašenje izlazne K+ struje (iako se zbog repolarizacije zatvaraju voltažno zavisni K+ kanali), i ova struja se suprotstavlja ulaznoj katjonskoj struji. Dolazi do hiperpolarizacije i smanjenja nagiba prepotencijala, a efekti su izraženiji ukoliko je koncentracija ACh veća. Jaka stimulacija nerva vagusa može da dovede do blokade srčanog rada, ukoliko je jako povećana propustljivost membrane za jone K+ zbog dejstva ACh.

Simpatička komponenta, koja deluje preko noradrenalina, ima suprotan efekat na frekvencu srčanog rada u odnosu na efekat parasimpatikusa. Noradrenalin (i adrenalin) ubrzavaju srčani rad, jer povećavaju nagib prepotencijala, i tako skraćuju njegovo trajanje (Sl. 53). Noradrenalin iz postganglijskih simpatičkih vlakana deluje preko β1-adrenergičkih rceptora koji aktivacijom adenilil ciklaze

povećavaju nivo cAMP i aktivaciju protin kinaze A. Fosforilacija voltažno-zavisnih K+ kanala ubrzava njihovo zatvaranje, pa se povećava nagib prepotencijala, a time i frekvenca okidanja akcionih potencijala. Takodje, povećanje aktivnosti protein kinaze A nakon aktivacije β1 receptora olakšava otvaranje L-Ca++ kanala, pa povećanje ulazne Ca2+ struje ubrzava depolarizirajuću fazu akcionog potencijala. Srčani mišić sadrži i β2-adrenergičke receptore koji deluju, takođe, preko cAMP i protein kinaze A, ali je efekat manje izražen i najveći je u pretkomorama.

3.2.5. Akcioni potencijal sa platoom

Membrane mišićnih vlakana komore karakterišu se stabilnim MPM od –90 mV, i u mirovanju je propustljivost za K+ daleko veća od propustljivosti za ostale jone. To je najvećim delom rezultat prisustva Kir kanala. Kao što je rečeno za Purkinjeve ćelije, ovi kanali održavaju membranski potencijal blizu ravnotežnog potencijala za K+. Akcioni potencijal mišićnih vlakana komore karakteriše se pojavom platoa (Sl.54). U membranama mišićnih vlakana komore postoje voltažno-zavisni Na+ kanali, voltažno-zavisni L-Ca2+ kanali, a pored sporo aktivirajućih voltažno-zavisnih K+ kanala, postoje i drugi K+ kanali koji učestvuju u formiranju akcionog porencijala. Najbrže se otvaraju voltažno zavisni Na+ kanali, koji su odgovorni za depolarizacionu fazu akcionog potencijala (0), nakon čega se ulazna Na+ struja gasi, jer se kanali inaktivišu. Nakon inverzije polarizovanosti sledi kratkotrajna brza repolarizacija (1). Smatra se da je za nju odgovorna tzv. izlazna kratkotrajna struja, Ito, koja se sastoji iz dve struje. Jedna je izlazna K+ struja koja je nezavisna od intracelularne koncentracije Ca2+, a blokira je 4-aminopiridin. Kanal kroz koji se formira ova struja aktivira se pri depolarizaciji od -30 mV, a inaktivira se tokom trajanja platoa. Druga struja je verovatno izlazna K+ struja kroz Ca2+-senzitivne K+ kanale (ne blokira je 4-aminopiridin, ali je blokira TEA), ili pak ulazna Cl- struja kroz Ca2+-senzitivne Cl- kanale. U tom periodu

otvoreni su i voltažno-zavisni L-Ca2+ kanali (otvaraju se pri depolarizaciji od oko -30 mV) te je stoga intracelularna koncentracija Ca2+ povećana i moguća je aktivacija ovih kanala. Nezavisno od toga koji su kanali odgovorni za struju, rezultat je brza repolarizacija membrane (1) do pojave platoa (2) kada je potencijal relativno stabilan, i ne vrši se brza repolarizacija. To je rezultat balansa izmedju ulazne Ca2+ struje kroz voltažno-zavisne L-Ca2+ kanale, koja teži da dalje depolariše membranu, i izlazne K+ struje kroz sporo aktivirajuće voltažno-zavisne K+ kanale koja teži da repolarizuje membranu. Pri kraju platoa, ulazna Ca2+ struja se gasi jer se kanali inaktivišu, i preostaje samo izlazna K+ struja koja dovodi do repolarizacije membrane (3) i vraćanja na MPM (4).

Sl. 54. Intracelularno registrovan AP vlakna srčanog mišića komore i odgovarajuće promene provodljivosti membrane za pojedine jone.

Objašnjenje u tekstu.

Dužina trajanja akcionog potencijala, odnosno platoa, može da utiče na karakteristike mišićne kontrakcije. Voltažno-zavisni L-Ca2+ kanali značajni su ne samo zbog formiranja akcionog potencijala komore, nego i zbog povećanja intracelularne koncentracije Ca2+ i aktivacije

kontraktilnog mehanizma. Stoga su ti kanali mesto regulacije srčanog rada, posebno snage kontrakcije. Tako stimulacija parasimpatičke komponente ima negativno inotropno dejstvo (smanjuje snagu kontrakcije) na srčani mišić. Naime otvaranje ACh-zavisnih Kir

+ kanala ubrzava repolarizaciju i skraćuje trajanje platoa. Skraćuje se vreme ulaska Ca2+ u mišićna vlakna, pa se smanjuje snaga kontrakcije. Takođe, delujući na smanjenje nivoa cAMP u mišićnim vlaknima, ACh usporava otvaranje Ca2+ kanala. Simpatička stimulacija ima suprotan efekat na snagu kontrakcije. Noradrenalin deluje preko β1 receptora čija aktivacija ubrzava otvaranje voltažno zavisnih Ca2+ kanala, povećava se ulazak Ca2+ iz ECT u mišićno vlakno, pa se povećava snaga kontrakcije (pozitivno inotropno dejstvo). cAMP takodje povećava aktivni transport Ca2+ u sarkoplazmatski retikulum, što ubrzava relaksaciju i skraćuje sistolu, tako da uprkos povećanoj frekvenci, srce može da se relaksira u dijastoli što omogućava dobro punjenje komora krvlju.

3.2.6. Elektrokardiogram

Telesne tečnosti su dobri provodnici, pa sve promene potencijala koje predstavljaju algebarski zbir akionih potencijala srčanih mišićnih vlakana mogu da se registruju sa površine tela. Zapis ovih promena tokom srčanog ciklusa označava se kao elektrokardiogram (EKG). EKG može da se snimi korišćenjem aktivne (eksploratorne) elektrode koja je povezana sa indiferentnom na nultom potencijalu (unipolarno registrovanje), ili može da se snimi izmedju dve aktivne elektrode (bipolarno registrovanje).Sl. 55 pokazuje EKG čoveka sa nazivima pojedinih talasa. Prema dogovoru otklon prema gore označava da je aktivna elektroda pozitivna u odnosu na indiferentnu, a otklon na dole da je aktivna elektroda postala negativna. Depolarizacija pretkomora uzrokuje P-talas, depolarizacija komora QRS-talas, a repolarizacija komora ST-segment i T-talas. Repolarizacija pretkomora se ne vidi, jer je prepokrivena QRS-kompleksom. Veličina i oblik

pojedinih talasa zavise od položaja elektroda. Amplitude pojedinih talasa u EKG su vrlo male u poredjenju sa amplitudama akcionog potencijala, jer su eksploratorne elektrode udaljene od srca (19.2).

3.2.7. Mehanički odgovor, odsustvo sumacije, ekstrasistola

Kontrakcija srčanog mišića započinje odmah nakon započinjanja depolarizacije i traje 1.5 puta duže nego akcioni potencijal (Sl. 56). Uloga Ca2+ u povezivanju električnog i mehaničkog odgovora je slična njegovoj ulozi kod skeletne muskulature. Kod srca, ulaz Ca2+ iz ECT kroz dihidropiridinske receptore u T-tubulama, inicira oslobadjanje Ca2+ iz sarkoplazmatskog retikuluma, a povećanje Ca++ u sarkoplazmi izaziva aktivaciju troponina, ciklus poprečnih veza i kliženje aktinskih medju miozinske niti. Tokom faze depolarizacije, platoa i oko jedne polovine repolarizacije membrane srčanih mišićnih vlakana nalaze se u ARF,

odnosno, potpuno su nenadražljive. Za to vreme završi se faza kontrakcije (sistola) i započne relaksacija (dijastola). Zbog toga nije moguća tetanizacija srčanog mišića kao kod skeletnog mišića. Nemogućnost tetanizacije obezbedjuje funkcionisanje srca kao pumpe. Postojanje ARF može da se pokaže ukoliko se komora srca stimuliše egzogenim stimulusima velikog intenziteta u toku celog perioda sistole i početka dijastole. Stimulacija u tom periodu ne dovodi do nove kontrakcije, jer su membrane potpuno nenadražljive. Tokom RRF stimulusi većeg intenziteta mogu da izazovu nov akcioni potencijal i novu kontrakciju, tzv. ekstrasistolu. Nakon toga sledi kompenzatorna pauza. Ona nastaje zbog toga što akcioni potencijal koji stiže iz SA čvora (ili venoznog sinusa kod žabe) zatiče membrane mišićnih vlakana komore u ARF zbog akcionog potencijala koji je izazvao ekstrasistolu. Zato se taj akcioni potencijal gasi, a kontrakcija komore se javlja po pristizanju sledećeg akcionog potencijala iz SA čvora.

Sl. 55. Šematski prikaz normalnog elektrokardiograma (EKG). Rastojanje izmedju vertikalnih linija iznosi 40 ms, a rastojanje

izmedju horizontalnih linija iznosi 0.1 mV. Sl. 56. Vremenska korelacija električne i mehaničke aktivnosti vlakna

srčanog mišića sisara.

Srčani mišić reaguje po tipu odgovora “sve ili ništa”. To može da se pokaže ukoliko se u eksperimentu srce žabe stimuliše električnim stimulusima različitog intenziteta. Na primenu podpragovnih intenziteta stimulusa, srce ne reaguje, dok na primenu pragovnog intenziteta reaguje kao celina maksimalno, i povećanje intenziteta stimulusa iznad pragovnog ne povećava snagu odnosno amplitudu kontrakcije. Strukturna baza ovakvom funkcionalnom odgovoru jeste prisustvo neksusa koji predstavljaju mostove malog otpora za prostiranje akcionog potencijala sa jednog na drugo vlakno. U srcu postoje dva funkcionalna sincicijuma, pretkomorni i komorni, medjusobno odvojeni prstenom vezivnog tkiva. To znači da će akcioni potencijal nastao na membrani jednog mišićnog vlakna pretkomore da se prenese na sva ostala vlakna pretkomore, a zatim preko AV čvora i Hisovog snopa i na vlakna komora. Ukoliko se pak akcioni potencijal javi na jednom mišićnom vlaknu komore, preneće se na čitav komorni sincicijum, ali ne i na pretkomore.

Snaga kontrakcije srčanog mišića pri datoj dužini sarkomere, može da se menja ukoliko se menja intracelularna koncentracija Ca2+. Kateholamini imaju pozitivno inotropno dejstvo. Srčani glikozid digitalis iz biljaka D.lanata i D.purpurea koristi se da poveća snagu srčane kontrakcije. Ovaj lek blokira rad Na+-K+-pumpe, pa se smanjuje jonski gradijent za Na+. Zbog povećanja intracelularne koncentracije Na+, smanjuje se ulaz Na+ u vlakno preko Na+-Ca++ antiporta, pa se smanjuje izlazak Ca++ u ECT, odnosno zaostajanje Ca++ u sarkoplazmi povećava snagu kontrakcije, pa srce snažnije pumpa krv.

3.2.8. Odnos izmedju dužine mišićnih vlakana i napona

Odnos između dužine mišičnih vlakana komore i napona (snage) koje mišić razvija slični su onome u skeletnoj

muskulaturi. U organizmu, početna dužina mišićnih vlakana komore pre kontrakcije, zavisi od količine krvi koja uđe u srce tokom dijastole. Ukoliko je punjenje u dijastoli veće, mišićna vlakna se više istežu i intraventrikularni sistolni pritisak (odnosno snaga kontrakcije) biće veći. Kada se dostigne maksimalna snaga mišića, dalje istezanje mišićnih vlakana rezultiralo bi smanjenjem snage kontrakcije. Ovaj odnos izmedju početne dužine vlakana i ukupnog napona srčanog mišića formulisan je u Starlingovom (Starling) zakonu prema kome je snaga kontrakcije proporcionalna količini krvi u komori na kraju dijastole.

Srce sisara je dobro snabdeveno krvlju, sadrži veliki broj mitohondrija i visoki sadržaj mioglobina. U fiziološki normalnim uslovima manje od 1% energije obezbedjuje se anaerobnim metabolizmom (a za vreme hipoksije do 10%). U bazalnim uslovima 35% energije obezbedjuje se aerobnim metabolizmom ugljenih hidrata, 5% ketonskih tela i amino kiselina i 60% masnih kiselina. U uslovima gladovanja procentualno više se koriste masne kiseline.

3.3. GLATKA MUSKULATURA

Glatki mišići se anatomski razlikuju od skeletnog i srčanog mišića po nedostatku poprečne prugavosti koja je rezultat odgovarajuće organizacije aktinskih i miozinskih niti u serijski povezane sarkomere. Obzirom na način funkcionisanja, glatka muskulatura se deli na višejediničnu (odeljenu) i viscelarnu. Višejedinična muskulatura predstavljena je jasno odeljenim mišićnim vlaknima i svako je inervisano postganglijskim vlaknima VNS. Nalazi se u mišićima oka i u zidovima mnogih krvnih sudova. Viscelarni glatki mišići sadrže čvrsto zbijena vlakna koja formiraju listove koji oblažu unutrašnje organe: uterus, creva, mokraćnu bešiku. Izmedju pojedinačnih mišićnih vlakana postoje neksusi, pa stoga viscelarni mišići funkcionišu po tipu sincicijuma.

3.3.1. Morfologija

Glatka mišićna vlakna su mnogo manja od skeletnih. Dužina vlakana može da bude do 500 µm, a prečnik od 5 – 20 µm. Sadrže malo mitohondrija i u svojim metaboličkim procesima zavise u velikoj meri od glikolize. Miofilamenti su grupisani u snopove, a aktinske niti su preko α-aktinina vezani za tzv. zgusnuta telašca koja su u kontaktu sa intermedijarnim filamentima (ekvivalent Z-membrane) ili su vezani za tzv. zgusnuta telašca pričvrćena za sarkomeru. Nema Z-membrana, niti organizovanih sarkomera. Dok je u skeletnom mišićnom vlaknu odnos aktinskih i miozinskih niti 2:1, u glatkom je 15:1. Aktinske niti sadrže pored F-aktina i tropomiozin, ali ne sadrže troponin te stoga formiranje poprečnih veza aktin-miozin nije indukovano dezinhibicijom veznih mesta na aktinu. Ne postoji tubularni sistem, a sarkoplazmatski retikulum je vrlo slabo razvijen i sastoji se od glatkih ravnih vezikula postavljenih vrlo blizu unutrašnje strane sarkoleme. Razvijen sarkoplazmatski retikulum nije ni potreban, jer ni jedna tačka u sarkoplazmi nije više od nekoliko mikrometara udaljena od površine sarkoleme. Znači, sarkolema može da reguliše nivo Ca2+ u sarkoplazmi, kao što to radi sarkoplazmatski retikulum u skeletnim mišićnim vlaknima. U viscelarnim mišićnim vlaknima niska intracelularna koncentracija Ca2+ održava se pumpanjem jona van ćelije u ECT. Kada se membrana depolariše, otvaraju se voltažno-zavisni Ca2+ kanali i javlja se ulazna Ca2+ struja što inicira kontrakciju.

3.3.2. Molekulska osnova kontrakcije

Kliženje aktinskih među miozinske niti ostvaruje se fosforilacijom lakih lanaca miozina. To katališe kinaza lakih lanaca miozina (na engleskom: myosin light chain kinase, MLCK) koju aktivira kompleks kalmodulin-Ca2+. Znači i kod viscelarne muskulature inicijator kontrakcije je Ca2+. Relaksacija se postiže uklanjanjem

Ca2+ iz sarkoplazme i defosforilacijom MLCK. Međutim, ne mora uvek da dođe do relaksacije, nego se kontrakcija i dalje održava uz mali utrošak energije. Naime, ukoliko se miozin defosforiliše dok je u vezi sa aktinom, prekidanje veza ide vrlo sporo i mišić ostaje kontrahovan, a da pri tome ne dolazi do formiranja novih veza aktin-miozin.

3.3.3. Električna i mehanička aktivnost

Sl. 57. Električna aktivnost viscelarne muskulature.

Viscelarni glatki mišić karakteriše nestabilnost membranskog potencijala koji nema pravu vrednost mirovanja, nego je relativno nizak kada je tkivo aktivno, a viši kada je inhibisano, ali u periodima relativnog mirovanja iznosi prosečno oko -50 mV. Na membranski potencijal se superponiraju različite vrste talasa (Sl. 57): spore sinusoidne oscilacije veličine nekoliko milivolti, šiljci koji retko premašuju liniju nultog potencijala, i često imaju trajanje od oko 50 msec; šiljci se takodje mogu javiti na rastućoj ili opadajućoj fazi sinusoidnih oscilacija. Spore sinusoidne oscilacije ne izazivaju mehanički odgovor, odnosno kontrakciju. To su lokalne promene membranskog potencijala, ali su značajne, jer približavaju potencijal tački okidanja i na uzlaznoj ili silaznoj fazi

ovih oscilacija može da se generiše akcioni potencijal. Mogu da se jave i akcioni potencijali sa platoom, kao i prepotencijali slični onima u nodalnom tkivu srca. Ovi prepotencijali označavaju se i kao potencijali ritmičnog tkiva. U viscelarnom glatkom mišiću ove potencijale stvaraju tzv. vodeća vlakna, ritmično tkivo sa najvećom frekvencom okidanja. Značajno je napomenuti da akcioni potencijali retko prelaze nulti potencijal, odnosno imaju manju amplitudu u odnosu na akcione potencijale skeletnih mišićnih vlakana.

U glatkim mišićnim vlaknima ima puno voltažno-zavisnih Ca2+ kanala a manje Na+ kanala. Stoga, akcioni potencijali nastaju uglavnom kao posledica otvaranja voltažno-zavisnih Ca2+-kanala koji su sporiji nego potencijal-zavisni Na+-kanal, pa zbog toga akcioni potencijali duže traju i sporije se generišu. S obzirom na neprestanu aktivnost, teško je na viscelarnom glatkom mišiću ispitivati povezanost izmedju električnih i mehaničkih zbivanja, ali je na nekim relativno neaktivnim preparatima moguće generisati pojedinačni akcioni potencijal. Mišić počinje da se kontrahuje oko 200 msec nakon početka i 150 msec nakon završetka šiljaka. Maksimalna kontrakcija se postiče čak 500 msec nakon akcionog potencijala. Sporost reakcije je karakteristika mehaničkog odgovora viscelarnih mišića.

Obzirom na različite oblike električne aktivnosti, postoje različiti tipovi kontrakcija viscelarne glatke muskulature: (a) ritmičke kontrakcije i (b) tonus. Ritmične kontrakcije su posledica spontane geneze akcionih potencijala u manje-više pravilnim vremenskim intervalima. Tonus glatkih mišića predstavlja stanje dugotrajne kontrakcije. To je vrlo važna osobina glatke muskulature i omogućava da mišić ostane kontrahovan tokom dugog vremenskog perioda. Smatra se da tonus može da nastane na dva načina: (a) sumacijom kontrakcija kao rezultat većeg broja akcionih potencijala, i (b) dejstvom hormona ili lokalnih tkivnih faktora.

Veoma značajna karakteristika viscelarne glatke muskulature jeste da veliko istezanje dovodi do depolarizacije membrane i geneze akcionih potencijala. Istezanje je praćeno padom membranskog potencijala, porastom učestalosti šiljaka i pojačanim mehaničkim odgovorom. To omogućava da se šuplji organ koji je prekomerno rastegnut kontrahuje i tako odupre istezanju. Najčešće dolazi do povećanja tonusa, a nekad i frekvence ritmičkih kontrakcija. Na primer, ako se deo creva usled sadržaja suviše istegne, pobude se peristaltički pokreti koji odstranjuju sadržaj iz rastegnutog dela creva.

Važna karakteristika viscelarne glatke muskulature je njena plastičnost, tj. sposobnost da može da menja dužinu uz male promene napona ukoliko se promena dužine sporo dešava. Naime, ako se deo viscelarnog glatkog mišića istegne i održava na većoj dužini nakon istezanja, javlja se povećanje napona, ali se on postepeno smanjuje se i pada do nivoa koji je postojao pre istezanja. Nema pozitivne korelacije izmedju dužine mišića i napona, kao što je slučaj u skeletnoj i srčanoj muskulaturi. Ova osobina, označena kao plastičnost, je verovatno posledica nepravilnog rasporeda aktinskih i miozinskih niti,i omogućava da se menja zapremina šupljih organa koji služe kao rezervoari (primer: mokraćni mehur). Kada zapremina organa postigne određenu vrednost, odnosno mišić se istegne na određenu dužinu na kojoj se napon održava, to predstavlja stimulus za iniciranje kontrakcije i dolazi do pražnjenja rezervoara.

3.3.4. Faktori koji utiču na viscelarnu muskulaturu

Viscelarna glatka muskulatura je bogato inervisana postganglijskim vlaknima VNS. Uloga inervacije je modulacija spontane aktivnosti viscelarne muskulature. Primer je dejstvo komponenti VNS na aktivnost glatke muskulature creva.

Sl. 58. Modulacija aktivnosti viscelarne muskulature različitim agensima -efekat različitih faktora na membranski potencijal glatkog

mišića creva.

Stimulacija parasimpatičke komponente, odnosno n.vagusa prouzrokuje stimulaciju svih gastrointestinalnih funkcija: povećava se tonus i peristaltika creva, ubrzano je kretanje crevnog sadržaja, pojačava se lučenje gastrointestinalnih žlezda. Dodavanje ACh u preparat creva in vitro izaziva povećanje tonusa mišića creva. Ovaj efekat ACh postiže vezivanjem za muskarinske-M1 receptore, koji predstavljaju G-proteina zavisne receptore. Povećava se intracelularna koncentracija Ca2+, to izaziva depolarizaciju membrane, povećava se frekvenca okidanja akcionih potencijala, a time i tonus mišića. Stimulacija simpatikusa ima suprotan efekat tj. inhibitoran efekat na gastrointerstinalne funkcije: smanjuje se tonus i peristaltika creva, usporeno je kretanje crevnog sadržaja, usporava se lučenje gastrointestinalnih žlezda. Dodavanjem adrenalina u preparat creva in vitro dolazi do smanjenja tonusa mišića creva. Ovaj efekat adrenalin prouzrokuje vezivanjem za α i β adrenergičke receptore. β-receptori deluju preko cAMP i povećavaju uklanjanje Ca2+ u intracelularne rezervoare, dok aktivacija α-receptora ubrzava pumpanje Ca2+ iz ćelije. To dovodi

do hiperpolarizacije membrane i udaljavanja od tačke okidanja. Smanjuje se frekvenca okidanja akcionih potencijala, pa dolazi do relaksacije mišića creva. Treba naglasiti da je u organizmu dominantna parasimpatička kontrola gastrointestinale funkcije u odnosu na simpatičku. Promena frekvence okidanja preganglijskih i postganglijskih parasimpatičkih vlakana reflektuje se na aktivnost gastrointestinalnog trakta.

Pored modulatornog dejstva VNS, treba istaći bogatsvo različitih membranskih receptora na membranama viscelarnih mišićnih vlakana. Naime, mnogi hormoni kao što su noradrenalin, adrenalin, angiotenzin, vazopresin, oksitocin, serotonin, histamin, VIP, deluju ekscitatorno ili inhibitorno na aktivnost viscelarnih mišića. Neki od ovih hormona, odnosno parakrinih i autokrinih signalnih molekula, aktivacijom svojih receptora izazivaju otvaranje različitih Ca2+ kanala u membrani, što rezultira depolarizacijom membrane i genezom akcionih potencijala. Znači, povećanje intracelularne koncentracije Ca2+, što je neophodan uslov za iniciranje kontrakcije, rezultat je uzlaska Ca2+ iz ECT. Drugi signalni molekuli iniciraju povećanje intracelularne koncentracije Ca2+ preko aktivnosti odgovarajućeg signalnog puta i mobilizacije intracelularnih rezervoara kalcijuma. Međutim, treba naglasiti da je depolarizacija membrane najefikasniji signalni mehanizam, odnosno ulaz Ca2+ iz ECT je veoma bitan faktor u iniciranju toničke ili ritmičke kontrakcije.

0 1

4Centralni nervni sistem čoveka sastoji se od 1010 nervnih ćelija. Sa retkim izuzecima, svaka nervna ćelija prima informacije direktno od velikog broja nervnih ćelija, a šalje informacije dalje sličnom broju neurona. Pitanje komunikacije izmedju ćelija jeste pitanje funkcionalnih i strukturnih karaktera centralnih i perifernih sinapsi. Na jednom motoneuronu postoji oko 1011 sinapsi, od toga 2000 na somi, 8000 na dendritima. Sinapse pokrivaju oko 40% membrane some i 75% membrane dendrita.Komunikacija između neurona u okviru nervnog sistema, i neurona i efektornih ćelija odvija se putem funkcionalnih kontakata označenih kao sinapse i spojevi. Pojam sinapse uveo je engleski naučnik Čarls Šerington (Charls Sherington, 1897). Prema njemu, sinapsa predstavlja funkcionalni spoj izmedju presinaptičkog i postsinaptičkog neurona, gde se akson presinaptičkog neurona završava na somi, dendritima, ili aksonu postsinaptičkog neurona, ili na membrani efektorne (mišićne ili žlezdane) ćelije. Kada se govori o sinapsi izmedju dva neurona, onda se može reći da

je sinapsa funkcionalni spoj izmedju transmisionog regiona presinaptičkog i generativnog regiona postsinaptičkog neurona (videti funkcionalne delove neurona u poglavlju 2). Centralne sinapse označavaju sinapse izmedju neurona unutar CNS, neuromuskularna veza označava funkcionalni spoj između motoneurona i skeletnog mišićnog vlakna, dok se manje specijalizovane veze tzv. spojevi nalaze izmedju postganglijskih vlakana simpatičke i parasimpatičke komponente vegetativnog nervnog sistema (VNS) i glatkih odnosno srčanih mišićnih vlakana.

Prema načinu prenosa razlikuju se hemijske i električne sinapse. Električne sinapse baziraju se sa postojanju neksusa izmedju dva neurona, dok hemijske sinapse uključuju oslobadjanje specifičnih signalnih molekula označenih kao neurotransmiteri iz transmisionog regiona presinaptičkog neurona i njihovo dejstvo na membranu generativnog regiona postsinaptičkog neurona.

Poglavlje 4.

SINAPTIČKA TRANSMISIJA

Beleške

Električne sinapse su zastupljene kod beskičmenjaka, ali postoje i kod kičmenjaka. U nervnom sistemu čoveka su ređe zastupljene. Veoma su brze i omogućavaju sinhronu aktivnost većeg broja neurona, što je važno za neke obrasce ponašanja. Međutim, ne omogućavaju obradu signala, kao što je slučaj sa hemijskim sinapsama. Kod električnih sinapsi razmak između presinaptičkog i postsinaptičkog neurona je svega 3.5 nm; postoji kontinuitet citoplazme; ultrastrukturne komponente sinapse uključuju neksuse; akcioni potencijal se prenosi elektrotoničkom depolarizacijom postsinaptičkog neurona; nema sinaptičkog kašnjenja; a smer transmisije je najčešće bidirekcioni.

Hemijske sinapse su mnogo kompleksnije i obezbeđuju kompleksnu obradu signala unutar nervnog sistema što rezultira mnogobrojnim obrascima ponašanja koji se sreću i kod različitih životinja i čoveka. Kod hemijskih sinapsi, rastojanje izmedju presinaptičkog i postsinaptičkog neurona iznosi od 20 do 50 nm; ne postoji kontinuitet citoplazme; ultrastrukturne komponente sinapse uključuju presinaptičku aktivnu zonu, vezikule sa neurotransmiterom, specifične receptore na postsinaptičkoj membrani; način prenosa podrazumeva seriju događaja na nivou sinapse; sinaptičko kašnjenje može da traje od 0.5. milisekundi do nekoliko sekundi; smer transmisije je ortodroman.

4.1. Hemijske sinapse

Komponente sinapse su: presinaptički elementi, postsinaptički elementi i sinaptička pukotina (Sl.25 a). Presinaptičko vlakno postaje amijelinizirano i grana se u veliki broj završnih nožica (dugmića, sinaptičkih čvorića). Ove završne nožice sadrže veliki broj mitohondrija i vezikula. Tokom aktivnosti presinaptičkog neurona, broj vezikula se smanjuje što ukazuje na činjenicu da su vezikule magazin za hemijski medijator ili neurotransmiter koji

omogućava funkcionisanje sinapse. U velikim čvorićima broj vezikula je i do 50000. Završne nožice mogu da se završavaju na dendritima (akso-dendritska sinapsa), na somi (akso-somatska sinapsa), na aksonu (akso-aksonska sinapsa), i na tzv. bodlji dendrita (izraštaju). Ove poslednje sinapse su vrlo česte u korteksu (kori mozga) gde dendriti imaju mnogobrojne izraštaje. Izmedju presinaptičkog završetka i subsinaptičke membrane postoji sinaptička pukotina, širine od 20 do 50 nm.

4.1.1. Funkcionalna anatomija pre- i post-sinaptičkih struktura

U završnim nožicama nalazi se veliki broj mitohondrija, kao i sinaptičkih vezikula. Sinaptičke vezikule u presinaptičkom završetku mogu da imaju različite morfološke karakteristike: (a) male, prozirne vezikule sadrže acetilholin; (b) male, zaravnjene vezikule sadrže glicin, ili γ-amino buternu kiselinu; (c) male, granulirane vezikule sadrže kateholamine; (d) velike vezikule sadrže neuropeptide. Male vezikule locirane su u nivou sinaptičke pukotine i proces egzocitoze dešava se na specijalizovanom delu presinaptičke membrane označenom kao aktivna zona. Velike vezikule locirane su u svim delovima završne nožice i oslobadjaju svoj sadržaj procesom egzocitoze iz svih delova završetka. Neurotransmiteri male molekulske mase sintetišu se u završnim nožicama i tu se pakuju u vezikule, dok se neuropeptidi sintetišu na nivou ER-a, pakuju u Goldži kompleksu i anterogradnim transportom duž mikrotubula stižu u završne nožice.

Proces egzocitoze neurotransmitera u sinaptičku pukotinu podrazumeva niz događaja u kojima učestvuje veliki broj proteina, a okidač je povećanje intracelularne koncentracije Ca2+, kao rezultat ulazne Ca2+ struje kroz voltažno-zavisne Ca2+ kanale. Ovi kanali se otvaraju kada akcioni potencijal stigne do završnih nožica presinaptičke membrane. Tri membranska proteina koji

igraju ključnu ulogu u spajanju membrane sinaptičke vezikule i plazma membrane su sinaptobrevin koji je povezan sa membranom vezikule i dva proteina u plazma membrani, sintaksin i SNAP-25. Ova dva proteina formiraju osnovni kompleks koji dovodi vezikulu u neposrednu blizinu plazma membrane, pri čemu se uspostavlja veza između sinaptobrevina i sintaksina. Ovaj kompleks obezbeđuje etapu pripreme za spajanje dve membrane, a energija za ovu etapu obezbeđuje se hidrolizom ATP. Pripremljena molekula ne sme da se spoji sa plazma membranom dok ne dođe do pojave ulazne Ca2+ struje, odnosno dok akcioni potencijal ne stigne na membranu završnih nožica. Protein sinaptotagmin iz membrane vezikule sprečava fuziju do momenta ulaska Ca2+. To je protein sa dva vezna mesta za Ca2+. Voltažno-zavisni kanali za Ca2+ povezani su direktno sa sintaksinom, tako da se Ca2+ koji ulazi iz ECT nađe u neposrednoj blizini sinaptotagmina. Vezivanjem Ca2+ jona uklanja se blokada, dolazi do fuzije dve membrane i oslobađanja sadržaja vezikule u sinaptičku pukotinu. Nakon toga fuzirani deo vezikularne membrane se vraća nazad u intracelularni matriks procesom endocitoze. Formira se klatrinom obloženo ulegnuće, i nakon formiranja i odvajanja endocitozne vezikule od plazma membrane, klatrin se odvaja, a vezikula se spaja sa ranim endozomom. Zatim se formiraju nove vezikule koje se pune neurotransmiterom uz pomoć odgovarajućih nosača. Nakon toga, vezikule se translociraju u nivo aktivne zone i na pristizanje akcionog potencijala do membrane završnih nožica egzocitoza može da se inicira.

4.1.2. Sekvenca dogadjaja tokom transmisije

Sl. 59. Događaji tokom sinaptičke transmisije. (1) presinaptički završetak; (2) vezikule sa neurotransmiterom; (3) voltažno-zavisni kalcijumovi kanali; (4) sinaptička pukotina; (5) receptori; (6)

subsinaptička membrana. Dalja objašnjenje u tekstu.

Procesi koji se dogadjaju tokom sinaptičke transmisije su: (a) pristizanje akcionog potencijala na membranu završnih nožica; (b) ulazak Ca2+ u završne nožice kroz voltažno-zavisne Ca2+ kanale, što omogućava oslobadjanje hemijskog medijatora procesom egzocitoze; (c) difuzija neurotransmitera kroz sinaptičku pukotinu do subsinaptičke membrane i vezivanje za receptore na subsinaptičkoj membrani, što dovodi do otvaranja jonskih kanala i pojave jonskih struja; (d) javlja se lokalna promena membranskog potencijala koja se označava kao postsinaptički potencijal (PSP). Ovi događaji ilustrovani su na slici 59. Nakon nekoliko milisekundi neurotransmiter se uklanja iz sinaptičke pukotine.

Sinapse mogu biti ekscitatorne i innhibitorne, što zavisi od vrste neurotransmitera i receptora na subsinaptičkoj membrani.

4.1.3. Ekscitatorne sinapse

Električna manifestacija aktivnosti u ekscitatornoj sinapsi jeste pojava ekscitirajućeg postsinaptičkog potencijala (EPSP). On nastaje usled depolarizacije membrane postsinaptičkog neurona neposredno ispod aktivnog čvorića. Reakcija dostiže maksimum za 1-1.5 msec, a zatim opada eksponencijalno u funkciji vremena. EPSP nije prostirući fenomen, ima odredjenu prostornu i vremensku konstantu, nema refraktorni period, a takodje je moguća sumacija više EPSP. Sumacija može biti prostorna i vremenska. Ako je u istom momentu aktivno više sinaptičkih završetaka, a ne samo jedan, i ako oni oslobadjaju ekscitacijski hemijski medijator, nastaje prostorna sumacija, odnosno amplitude pojedinačnih EPSP se sumiraju. Vremenska sumacija nastaje ako istim presinaptičkim vlaknom stignu dva impulsa u kratkom vremenskom intervalu, naime izazove se nov EPSP pre nego što je prethodni iščezao. Jedan EPSP nije dovoljan za genezu akcionog potencijala na inicijalnom segmentu. Samo ukoliko je veći broj sinapsi aktiviran ponovljeno

(vremenska sumacija) ili istovremeno (prostorna sumacija) postsinaptički neuron će da generiše akcioni potencijal na inicijalnom segmentu (Sl. 60 a, b, c).

Sl.60. Prostorna i vremenska sumacija EPSP. (a) Odgovor na pristizanje jednog akcionog potencijala presinaptičkim završetkom. (b) Prostorna sumacija u odgovor na pristizanje tri akciona potencijala. (c) Vremenska sumacija u odgovor na pristizanje tri akciona potencijala

istim presinaptičkim završetkom.

Jonska baza EPSP je najčešće otvaranje jonskih kanala za katjone Na+ i K+. Primer ekscitatorne sinapse je centralna holinergička sinapsa, neurotransmiter je acetil holin a receptor na subsinaptičkoj membrani nikotinski holinergički receptor. To je ligand zavisni jonski kanal za Na+ i K+. Obzirom da je MPM postsinaptičkog neurona mnogo bliži ravnotežnom potencijalu za K+ no za Na+, otvaranje ovog kanala izaziva pojavu ulazne Na+-struje koja je jača od izlazne K+-struje, te dolazi do lokalne depolarizacije membrane, odnosno pojave EPSP. Amplituda EPSP direktno je proporcionalna broju aktiviranih receptora, odnosno otvorenih jonskih kanala za Na+ i K+.

EPSP može da nastane i ako dođe do zatvaranja kanala za K+. U pitanju su neurotransmiteri koji deluju preko sekundarnog glasnika, i javljaju se tzv. spori EPSP. Sinaptičko kašnjenje iznosi oko 100-500 milisekundi, a sam EPSP traje nekoliko sekundi, pa i minuta. Ovakvi EPSP se javljaju u autonomnim ganglijama i srčanoj i glatkoj muskulaturi. U simpatičkim ganglijama deluje neurotransmiter koji je peptid sličan gonadotropnom hormonu oslobađajućem hormonu (GnRH).

Nastajanje lokalne depolarizacije membrane izaziva uspostavljanje lokalnih kružnih struja izmedju mesta gde je nastao EPSP i membrane u miru. Struja se uliva na mestu nastanka EPSP, a to izaziva depolarizaciju susednih regiona membrane (Sl. 62 a). Jedna sinapsa ne može da stvori EPSP dovoljne amplitude koji bi izazvao genezu akcionog potencijala, odnosno doveo do stvaranja lokalnih kružnih struja dovoljnog intenziteta da depolarišu membranu inicijalnog segmenta do tačke okidanja. Medjutim, ukoliko se sumira više EPSP, lokalne kružne struje depolarišu inicijalni segment do tačke okidanja i javlja se akcioni potencijal.

4.1.4. Inhibitorne sinapse

Električna manifestacija aktivnosti u inhibitornoj sinapsi je inhibirajući postsinaptički potencijal (IPSP), što predstavlja lokalnu hiperpolarizaciju subsinaptičke membrane (Sl. 62 b).

IPSP je takodje lokalna promena membranskog potencijala, karakteriše se odredjenom prostornom i vremenskom konstantom, ne izaziva refraktornost membrane. Moguća je prostorna i vremenska sumacija IPSP. Jonska baza IPSP je otvaranje jonskih kanala za K+, ili Cl-, što dovodi do pojave izlazne K+, odnosno ulazne Cl--struje, a to ima za posledicu lokalnu hiperpolarizaciju membrane. U poglavlju 2 je rečeno da je vrednost MPM neurona manja od ravnotežnog potencijala za jone K+, te stoga otvaranje kanala za K+ izaziva pojavu izlazne K+ struje. Međutim, kada su u pitanju joni Cl-, postoje membrane gde je vrednost MPM manja od ravnotežnog potencijala za Cl- i u tom slučaju otvaranje jonskog kanala omogućiće pojavu ulazne Cl- struje. Međutim postoje membrane gde je vrednost MPM jednaka vrednosti ravnotežnog potencijala za jone Cl-. U tom slučaju otvaranje jonskog kanala ne izaziva neto-kretanje jona Cl-, pa se može postaviti pitanje kako onda takva sinapsa ima inhibitorni karakter. Odgovor se sam nameće, ukoliko takvu sinapsu posmatramo u sklopu svih sinaptičkih kontakata koje jedan postsinaptički neuron ima sa presinaptičkim neuronima. Sinaptička događanja teku paralelno u većem broju sinapsi. Ukoliko se istovremeno javi EPSP, membranski potencijal neće više biti jednak ravnotežnom potencijalu za Cl- i kroz otvoren jonski kanal za Cl- u inhibitornoj sinapsi javiće se ulazna Cl- struja. To će izazvati smanjenje amplitude EPSP, a možda ga i potpuno poništiti. Znači, smanjuje se mogućnost depolarizacije membrane i dostizanje tačke okidanja.

IPSP takođe izaziva pojavu lokalnih kružnih struja izmedju mesta gde je došlo do lokalne hiperpolarizacije

membrane i membrane u miru. Struja se izliva na mestu nastanka IPSP, a to izaziva hiperpolarizaciju susednih delova membrane i inicijalnog segmenta, odnosno udaljava inicijalni segment od tačke okidanja (Sl. 62 b).

IPSP može da se javi i ukoliko neurotransmiter na subsinaptičkoj membrani izazove zatvaranje jonskih kanala za Na+ koji su u mirovanju otvoreni. U simpatičkim ganglijama kod žaba zapaženo je da neurotransmiter izaziva smanjenje propustljivosti membrane za Na+ jone, što vodi lokalnoj hiperpolarizaciji membrane.

4.1.5. Elektrogeneza akcionog potencijala u postsinaptičkom neuronu.

Sl. 61. Elektrogeneza akcionog potencijala na inicijalnom segmentu (levo), inhibirajući postsinaptički potencijal (u sredini) i istovremeno događanje EPSP i IPSP onemogućilo je genezu akcionog potencijala

(desno).Sumiranje sinaptičkih potencijala dešava se na specijalizovanom delu membrane postsinaptičkog neurona koji se naziva inicijalni segment. Ovaj deo ima najniži prag nadražaja, jer sadrži oko 350-400 voltažno-zavisnih Na+ kanala/µm2 membrane. Na somi je taj broj samo 50-75, a na sinaptičkim završecima 20-75. Pojava EPSP na subsinaptičkoj membrani, izaziva uspostavljanje lokalnih kružnih struja izmedju mesta gde je nastao EPSP i membrane u miru (Sl. 62a). Struja se uliva na mestu nastanka EPSP. Ulivi struje izazivaju depolarizaciju

susednih delova membrane i mogu da depolarišu inicijalni segment. Jedna sinapsa ne može da stvori EPSP dovoljne amplitude koji bi izazvao genezu akcionog potencijala, odnosno doveo do stvaranja lokalnih kružnih struja dovoljnog intenziteta da depolarišu membranu inicijallnog segmenta do tačke okidanja. Medjutim, ukoliko se sumira više EPSP, I dostigne tačka okidanja inicijalnog segmenta, generiše se akcioni potencijal. S druge strane, nastajanje IPSP izaziva uspostavljanje lokalnih kružnih struja koje se izlivaju na mestu nastanka IPSP što izaziva hiperpolarizaciju susednih delova membrane i inicijalnog segmenta, odnosno dovodi do udaljavanja inicijalnog segmenta od tačke okidanja.

Sl. 62. Lokalne kružne struje u ekscitatornoj (a) i inhibitornoj (b) sinapsi

Neprestana aktivnost ekscitirajućih i inhibirajućih sinapsi na nivou jednog postsinaptičkog neurona stvara na membrani some i dendrita potencijal koji fluktuira i koji je algebarski zbir EPSP i IPSP. IPSP smanjuje amplitud i prostorno širenje EPSP. Ukoliko elektrotonička depolarizacija inicijalnog segmenta dostigne tačku okidanja generiše se AP, a ukoliko ne dostigne AP se ne javlja, odnosno nervni impuls se ne prenosi na postsinaptički neuron. Ukoliko se javi akcioni potencijal on se širi ortodromno od inicijalnog segmenta do kraja

aksona, a i antidromno na somu. Ovo antidromno širenje duž membrane some “briše” prethodne sinaptičke uticaje i membrana je spremna za nova sabiranja ekscitacijskih i inhibicijskih aktivnosti.

4.1.6. Zavisnost amplitude PSP od vrednosti membranskog potencijala postsinaptičke membrane

U eksperimentalnim uslovima moguće je vrednost membranskog potencijala subsinaptičke membrane dovesti na željeni nivo, a zatim stimulisati presinaptički neuron, izazvati akcioni potencijal i oslobađanje neurotransmitera. Odgovarajućim mikroelektrodama postavljenim u nivou sinapse može da se meri amplituda EPSP koji se javlja u odgovor na dejstvo neurotransmitera. U prvom slučaju, posmatra se ekscitatorna holinergička sinapsa, neurotransmiter ACh i nikotinski holinergički receptori na subsinaptičkoj membrani. Neka je vrednost MPM za datu membranu -65 mV, ravnotežnog potencijala za K+ -80 mV, a ravnotežnog potencijala za Na+ +55 mV. Ukoliko je membranski potencijal na vrednosti od -65 mV, aktivacija presinaptičkog neurona izazvaće na subsinapičkoj membrani pojavu EPSP određene amplitude. Depolarizacija će biti rezultat razlike između ulazne Na+ i izlazne K+ struje kroz nikotinske receptore. Ukoliko se subsinaptički membranski potencijal prethodno dovede na vrednost ravnotežnog poencijala za K+, amplituda EPSP biće veća u odnosu na prethodnu, jer izostaje izlazna K+ struja posto se potencijal membrane nalazi na ravnotežnom potencijalu za taj jon, pa otvaranje kanala nema efekat na raspored jona Ka+. Veća je razlika između membranskog potencijala i ravnotežnog potencijala za Na+ tako da je i ulazna Na+ struja jača. Ako se membranski potencijal subsinaptičke membrane dovede na 0 mV, aktivacija presinaptičkog neurona neće dovesti do promene vrednosti membranskog potencijala (amplituda EPSP biće nula mV), jer je na toj vrednosti ulazna Na+ struja u ravnoteži sa izlaznom K+ strujom.

Ukoliko se pak, subsinaptički potencijal dovede na pozitivne vrednosti, na primer od +10 do +55 mV, pa zatim vrši aktivacija presinaptičkog neurona, amplituda EPSP biće obrnuta, odnosno javljaće se hiperpolarizacija membrane utoliko veća ukoliko je subsinaptički potencijal bliže ravnotežnom potencijalu za Na+. U tim uslovima preovladavaće K+ struja u odnosu na Na+ struju, pa će zbog toga dolaziti do pojave hiperpolarizacije umesto depolarizacije membrane.

Sl. 63. Zavisnost amplitude postsinaptičkog potencijala od početne vrednosti membranskog potencijala I vrednost obrnutog potencijala

za EPSP (a) i IPSP (b).

Ako se umesto ekscitatorne sinapse posmatra inhibitorna, gde je neurotransmiter glicin, a receptori na subsinaptičkoj membrani ligand zavisni jonski kanali za Cl-, može da se vidi kako će promene vrednosti membranskog potencijala subsinaptičke membrane uticati na amplitudu IPSP. Neka je vrednost MPM za datu membranu -65 mV, a ravnotežni potencijal za Cl- -70 mV. Ukoliko je membranski potencijal na vrednosti od -65 mV, aktivacija presinaptičkog neurona izazvaće na subsinapičkoj membrani pojavu IPSP određene amplitude. Glicin će izazvati otvaranje jonskih kanala za Cl- i doći će do pojave ulazne Cl- struje i lokalne hiperpolarizacije membrane. Ukoliko se membranski potencijal prethodno dovede

na vrednosti manje od vrednosti MPM, aktivacija presinaptičkog neurona izazvaće pojavu IPSP veće amplitude koja će biti srazmerna stepenu depolarizacije membrane. Naime, prethodna depolarizacija membrane udaljuje potencijal od ravnotežnog potencijala za Cl- i stoga se povećava jačina ulazne Cl- struje, a time i amplituda IPSP. Ukoliko se potencijal subsinaptičke membrane prethodno dovede na vrednost ravnotežnog potencijala za Cl-, aktivacija presinaptičkog neurona neće dovesti do promene potencijala subsinaptičke membrane, jer će izostati pojava ulazne Cl- struje. Ako se potencijal subsinaptičke membrane prethodno dovede na vrednosti ispod ravnotežnog potencijala za Cl- aktivacija presinaptičkog neurona izazvaće depolarizaciju subsinaptičke membrane, jer će u tom slučaju doći do pojave izlazne Cl- struje.

Napred opisani eksperimentalni rezultati ukazuju na uticaj trenutnog stanja membranskog potencijala subsinaptičke membrane na amplitudu postsinaptičkih potencijala. Imajući u vidu da se na jednom postsinaptičkom neuronu završava orgoman broj presinaptičkih završetaka, međuigra ekcitatonih i inhibitornih sinaptičkih događanja dovodi u tesnu vezu trenutno stanje polarizovanosti subsinaptičke membrane i njene efekte na amplitudu postsinaptičkih potencijala koji se u datom momentu javljaju na postsinaptičkom neuronu.

4.1.7. Faktori koji utiču na oslobadjanje neurotransmitera

Neurotransmiteri se iz presinaptičkog završetka oslobađaju procesom egzocitoze. Nakon fuzije membrane vezikule sa plazma membranom i otvaranja u ekstracelularni matriks, celokupan sadržaj vezikule se oslobodi u sinaptičku pukotinu. Količina oslobođenog neurotransmitera srazmerna je broju vezikula koje svoj sadržaj oslobode u sinaptičku pukotinu i količini neurotransmitera u jednoj vezikuli. Može da se kaže da se neurotransmiteri

oslobađaju u paketićima. U centralnim sinapsama u odgovor na jedan akcioni potencijal oslobodi se od jednog do deset paketića.

Postoji veći broj faktora koji utiču na količinu oslobođenog neurotransmitera u sinaptičkoj pukotini. Jedan od faktora koji utiče na količinu oslobođenog neurotransmitera jeste amplituda akcionog potencijala. Ako se u eksperimentalnim uslovima, presinaptička membrana blokira tetradotoksinom koji selektivno blokira voltažno-zavisne Na+ kanale, a zatim se u različitim vremenskim intervalima od dodavanja TTX vrši stimulacija presinaptičkog neurona, i meri amplituda akcionog potencijala na presinaptičkim završecima kao i amplituda EPSP na postsinaptičkoj membrani, dobijaju se rezultati koji pokazuju da je progresivno smanjenje amplitude presinaptičkog akcionog potencijala praćeno smanjenjem amplitude EPSP. Naime, 15 minuta nakon dodavanja TTX, amplituda akcionog potencijala se smanji ispod 40 mV, i u tim uslovima nema pojave EPSP, odnosno ne dolazi do egzocitoze neurotransmitera. U ovom eksperimentu smanjen ulazak Na+ zbog dejstva tetrodotoksina nije uzrok blokade oslobađanja neurotransmitera, nego je to smanjenje amplitude i trajanja depolarizacije membrane. Naime, ako se metodom nametnute voltaže izvrši depolarizacija presinaptičke membrane za više od 40 mV, javlja se EPSP a njegova amplituda srazmerna je veličini depolarizacije. Pokazano je da postoji eksponencijalna zavisnost između amplitude presinaptičkog akcionog potencijala i amplitude EPSP.

Ekstracelularna koncentracija kalcijuma je vrlo bitan faktor, i uklanjanje kalcijuma iz ECT blokira proces egzocitoze. Napred je rečeno, da depolarizacija membrane presinaptičkog završetka izaziva otvaranje voltažno-zavisnih C2+ kanala i pojavu ulazne Ca2+ struje. Pokazano je da povećanje intracelularne koncentracije kalcijuma za 20% duplira količinu oslobođenog neurotransmitera. U membrani presinaptičkih završetaka nalaze se voltažno-

zavisni L-Ca2+ kanali. Ovi kanali se sporo otvaraju i to tek pri većoj depolarizaciji. Praktično, ulazna Ca2+

struja se javlja kada je akcioni potencijal na membrani presinaptičkog završetka već u fazi repolarizacije. Smatra se da je sinaptičko kašnjenje jednim značajnim delom uzrokovano baš ovom sporom pojavom ulazne Ca2+ struje u odgovor na depolarizaciju membrane. Međutim, pošto su Ca2+ kanali locirani neposredno uz aktivnu zonu, 0.2 milisekunde nakon ulaska kalcijuma započinje oslobađanje neurotransmitera. Kalcijum koji uđe u presinaptički završetak tokom jednog akcionog potencijala, uklanja se iz citoplazme u ekstracelularni matriks Na+-Ca2+-antiport sistemom, a takođe i u mitohondrije i endoplazmatski retikulum. Brzo uklanjanje kalcijuma, prekida proces egzocitoze i omogućava vraćanje presinaptičkog završetka u stanje mirovanja sve do pristizanja sledećeg akcionog potencijala.

Prethodna aktivnost presinaptičkog neurona može da utiče na količinu oslobođenog neurotransmitera. Nakon tetaničke stimulacije presinaptičkog neurona, dolazi do pojačanog odgovora postsinaptičkog neurona na pojedinačne akcione potencijale koji stižu presinaptičkim završetkom, odnosno javljaju se ekscitirajući postsinaptički poencijali veće amplitude. Veća amplituda EPSP rezultat

je oslobađanja veće količine neurotransmitera u odnosu na onu bez prethodne tetaničke stimulacije. Uzrok je zaostajanje Ca2+ jona u presinaptičkom završetku, odnosno nepotpunog uklanjanja nakon tetaničke stimulacije, zbog prolaznog zasićenja intracelularnih rezervoara kalcijumovim jonima. Pojava nosi naziv posttetaničko pojačavanje. Posttetanička stimulacija može da traje nekoliko minuta i predstavlja elementarni vid učenja.

Presinaptička facilitacija i presinaptička inhibicija su načini modulacije sinaptičke aktivnosti akso-aksonskom sinapsom (Sl. 64 i 65). Posmatra se sinaptička transmisija izmedju dva neurona (neuroni 1 i 2), a na presinaptičkom završetku ostvaruje sinaptički kontakt treći neuron (neuron 3). Ukoliko je u pitanju presinaptička facilitacija (Sl. 64), akso-aksonska sinapsa deluje tako da produžava trajanje akcionog potencijala na presinaptičkom neuronu, pojačava se ulazna Ca2+ struja, i oslobađa se više neurotransmitera. To povećava amplitudu EPSP na postsinaptičkom neuronu. Mehanizam presinaptičke facilitacije predpostavlja dejstvo serotonina u akso-aksonskoj sinapsi. Serotonin deluje preko G-protein zavisnih receptora, cAMP i fosforilacije K+ kanala u presinaptičkom završetku neurona 1. To usporava repolarizacionu fazu akcionog potencijala, i produžava se njegovo trajanje. Zbog toga se pojačava

Sl. 64. Presinaptička facilitacija. Akcioni potencijal u presinaptičkom završetku neurona 1 pre dejstva neurona 3(1a) i kao rezultat aktivnosti neurona 3(1a'); ulazna kalcijumova struja pre (1b) i tokom dejstva neurona 3 (1b'); EPSP na postsinaptičkom neuronu pre (2a) i tokom

dejstva neurona 3 (2a').

0 1

ulazna Ca2+ struja, oslobađa se više neurotransmitera i amplituda EPSP je veća u odnosu na amplitudu kada akso-aksonska sinapsa nije aktivna. Presinaptička inhibicija ima suprotan efekat. Skraćuje se trajanje akcionog potencijala u neuronu 1, ulazna Ca2+

struja je manja, oslobađa se manje neurotransmitera, pa je i EPSP koji se javlja u postsinaptičkom neuronu 2 manje amplitude. Postoji nekoliko mehanizama koji dovode do smanjenja ulazne Ca2+ struje. Jedan se ostvaruje delovanjem γ-amino buterne kiseline na GABAA receptore koji su ligand zavisni jonski kanali za hlor. Javlja se ulazna Cl- struja što smanjuje amplitudu akcionog potencijala, a time i jačinu ulazne Ca2+ struje. Drugi je posredovan aktivacijom G-protein zavisnih receptora što vodi istovremenom zatvaranju Ca2+ kanala i otvaranju voltažno-zavisnih K+ kanala, a to smanjuje ulaznu Ca2+struju. Treći mehanizam je inhibicija egzocitoze nezavisno od ulazne Ca2+ struje.

4.2. Neurotransmiteri

Prema hemijskoj prirodi, do sada poznati neurotransmiteri pripadaju različitim grupama jedinjenja. Neki su amini, neki aminokiseline, purini, gasovi, peptidi i polipeptidi. Derivati arahidonske kiseline takođe mogu da funkcionišu kao neurotransmiteri.

Definisanje neke supstance kao neurotransmitera podrazumeva da ona poseduje sledeće karakteristike: (a) sintetiše se u neuronu; prisutna je u presinaptičkim završecima i oslobadja se u količini dovoljnoj da izazove efekat na postsinaptičkoj ćeliji; (b) kada se primeni egzogeno u odredjenoj koncentraciji, izaziva istovetno dejstvo kao i endogeni neurotransmiter; (c) u nivou sinapse postoji specifičan mehanizam za uklanjanje neurotransmitera; (d) neurotransmiter ima neravnomernu distribuciju u okviru nervnog sistema, a taj raspored prati odgovarajuća distribucija specifičnih receptora i enzima koji učestvuju u njegovom metabolizmu.

4.2.1. Receptori

Postoji nekoliko osnovnih karakteristika receptora za neurotransmitere. Za svaki neurotransmiter postoji više tipova receptora što omogućava specifična dejstva neurotransmitera na nivou ciljne ćelije. Receptori su lokalizovani na postsinaptičkoj membrani, ali mogu da budu prisutni i u presinaptičkoj membrani. Aktivacija presinaptičkih receptora rezultira inhibicijom dalje sekrecije neurotransmitera iz presinaptičkog završetka.

Prema strukturi i mehanizmu transdukcije, receptori se mogu klasifikovati u tri osnovne grupe. Prva grupa su ligand zavisni jonski kanali, druga G-protein

vezujući receptori, gde subjedinice G-proteina direktno interaguju sa jonskim kanalom. U treću grupu spadaju G-protein vezujući receptori, koji aktivacijom AC ili PLC indukuju sintezu sekundarnih glasnika (cAMP, IP3, Ca2+, DAG) i aktivaciju odgovarajućih kinaza (PKA, PKC, CaM-zavisne PK, i drugih kinaza). Kinaze katališu fosforilaciju jonskog kanala što izaziva promenu konformacije i dovodi do otvaranja ili zatvaranja jonskog kanala. Takodje je moguće da se sekundarni glasnik cAMP, ili cGMP direktno veže za jonski kanal i modifikuje njegovu aktivnost. Aktivacija ligand zavisnih jonskih kanala izaziva brza sinaptička dejstva i aktivnost traje nekoliko milisekundi. Receptori koji regulišu aktivnost jonskih kanala indirektno, preko sekundarnih glasnika, izazivaju spora sinaptička dejstva a aktivnost traje više sekundi pa i minuta.

Receptori su skoncentrisani u nivou subsinaptičke membrane neposredno ispod presinaptičkog završetka, zbog prisustva specifičnih veznih proteina u membrani. Tako na primer, nikotinski holinergički receptori su asocirani sa proteinom rapsinom, GABAA-receptori, kao i glicinski receptori sa proteinom gefirinom, a za ekscitatorne glutaminergičke receptore protein koji ih «drži» u nivou sinapse je PB2-vezni protein.

Produženo delovanje neurotransmitera na receptore dovodi do njihove desenzitivizacije, tj. smanjene osetljivosti. Postoje homologa i heterologa desenzitivizacija. Prva podrazumeva dejstvo visokih koncentracija liganda za dati receptor, a primer je fosforilacija β-adrenergičkog receptora za norepinefrin i epinefrin. U prisustvu visokih koncentracija liganda dolazi do aktivacije odgovarajućih kinaza unutar ćelije koje vrše fosforilaciju receptora (Ser/Thr ostaci u petlji izmedju 5. i 6. regiona receptora, na taj način se sprečava kontakt receptora sa G-proteinom i izostaje aktivacija G-proteina). Heterologa desenzitizacija podrazumeva dejstvo nekog drugog signalnog molekula i aktivaciju drugog signalnog puta, na primer, insulin

smanjuje osetljivost β-adrenergičkog receptora za norepinefrin.

4.2.2. Uklanjanje neurotransmitera iz sinapse

Brzo uklanjanje neurotransmitera iz sinaptičke pukotine je uslov za normalnu funkcionalnost sinapse. Postoje dva osnovna načina uklanjanja: (a) razgradnja na nivou postsinaptičke membrane, i (b) ponovno preuzimanje neurotransmitera u presinaptičke završetke preko odgovarajućeg nosača. Enzimi locirani na postsinaptičkoj membrani katališu razgradnju neurotransmitera. Primer je ACh esteraza (AChE). Ponovno preuzimanje (reuptake) neurotransmitera vrši se pomoću nosača koji ispoljavaju velik afinitet pema odredjenom neurotransmiteru. Postoje dve familije proteinskih nosača. Jedna familija obuhavata proteine koji imaju 12 transmembranskih domena i koji prenose molekule neurotransmitera zajedno sa jonima Na+ i Cl- nazad u završne nožice. Članovi ove familije predstavljaju nosače za norepinefrin, dopamin, serotonin, GABA, i glicin, kao i nosače za prolin, taurin, i holin koji nastaje u sinaptičkoj pukotini pod dejstvom AChE. Druga familija obuhvata nosače koji prenose glutamat u presinaptičke završetke, kao i nosače za glutamat koji preuzimaju astrociti. Ovi proteinski nosači predstavljaju simport sa jonima Na+ i antiport sa jonima K+, a ne zavise od transporta jona Cl-. Ovi nosači imaju različitu strukuru, a mogu da imaju 6, 8 ili 10 transmembranskih domena.

U presinaptičkim završecima postoje posebni proteinski nosači za monoamine, VMAT1 i VMAT2, koji prenose molekule neurotransmitera iz citoplazme u sinaptičke vezikule. Imaju široku specifičnost za dopamin, norepinefrin, epinefrin, serotonin i histamin. Oba nosača inhibiše rezerpin, farmakološki preparat koji prazni depoe monoamina u presinaptičkim završecima. Oba

Sl. 65. Presinaptička inhibicija. Oznake kao na slici 64.

nosača su proteini sa 12 transmembranskih domena. Takođe, postoje specifični nosači za glicin, GABA i ACh koji prenose ove neurotransmitere u sinaptičke vezikule.

Ponovno preuzimanje neurotransmitera iz sinaptičke vezikule u presinaptičke završetke gde se vrši njihova razgradnja, jeste važan mehanizam koji omogućava kratkotrajno dejstvo neurotransmitera i normalno funkcionisanje sinapsi. Mnogi antidepresanti (lekovi protiv depresije) deluju kao inhibitori ponovnog preuzimanja neurotransmitera. Na taj način produžavaju dejstvo prisutnih nivoa neurotransmitera na postsinaptičke neurone. Kokain je blokator preuzimanja dopamina.

Međutim, produženo delovanje neurotransmitera može da ima negativne efekte, jer prekomerna stimulacija postsinaptičkih neurona dovodi do smanjenja osetljivosti receptora (desenzitivizacije) što smanjuje mogućnost prenosa impulsa u tim sinapsama. Kada je u pitanju glutamat, blokada preuzimanja glutamata može da ima citotoksične efekte na nivou postsinaptičkog neurona, jer dolazi do prekomernog povećavanja intracelularne koncentracije jona Ca2+ u postsinaptičkom neuronu što izaziva apoptozu ovih ćelija. Smatra se da ishemija (smanjen protok krvi) i anoksija u mozgu dovode do gubitka neurona upravo zbog blokade preuzimanja glutamata.

4.2.3. Primeri neurotransmitera

AcetilholinAcetilholin je prva supstanca definisana kao neurotransmiter. Sintetiše se u završecima holinergičkih neurona. Citoplazmatični enzim holin acetiltransferaza katališe sintezu ACh od holina i acetil-CoA. Za ACh postoje dva tipa receptora: nikotinski i muskarinski. Nikotinski receptor (Sl. 66) je ligand zavisni jonski kanal

za Na+ i K+, agonist je nikotin, odatle naziv. Atropin ne deluje na ove receptore. U neuromuskularnoj vezi receptor se sastoji od 5 subjedinica 2 α,β,γ,δ, na α je vezno mesto za ACh, poluživot proteina je oko 1 nedelje. U centralnim sinapsama prisutne su subjedinice α i β, u više izoformi, pri čemu receptor može biti homomerni ili heteromerni protein, najverovatnije od 5 subjedinica, mada se ne zna struktura svih centralnih nikotinskih receptora. Postoji pet podtipova muskarinskih receptora (M1 – M5) i svi predstavljaju G-protein zavisne receptore koji su preko G-proteina povezani ili sa K+-kanalom, ili AC čiju aktivnost inhibišu, odnosno PLC čiju aktivnost stimulišu. Muskarin iz otrovne gljive zlatače je agonist ovih receptora, a antagonist je atropin.

Norepinefrin i epinefrinKateholamini je zajednički naziv za noradrenalin (norepinefrin), adrenalin (epinefrin) i dopamin. Polazno jedinjenje za sintezu kateholamina je tirozin. U citoplazmi završnih nožica odvija se sinteza do dopamina. Fenilalanin hidroksilaza katališe hidroksilaciju tirozina i nastaje

dopa ili dihidroksifenilalanin a dekarboksilacijom dope katalitičkom aktivnošću dopa dekarboksilaze nastaje dopamin. Dopamin ulazi u granulirane vezikule i tu se transformiše u norepinefrin katalitičkom aktivnošću dopamin β-hidroksilaze (DBH). Neki neuroni, kao i ćelije srži nadbubrega, sadrže citoplazmatičnu formu enzima feniletanolamin-N-metiltransferaze (PNMT), pa norepinefrin izlazi iz vezikula i metilacijom prelazi u adrenalin, a zatim se pakuje u druge granulirane vezikule.

U vezikulama, noradrenalin i adrenalin su vezani za ATP i asocirani sa proteinom koji se naziva hromogranin A, a čija funkcija nije još definisana. U nekim noradrenergičkim neuronima, prisutne su i vezikule sa neuropeptidom Y. Kateholamini u vezikule ulaze pomoću specifičnih nosača čiji rad blokira lek rezerpin. Tokom egzocitoze noradrenalina i adrenalina, čitav sadržaj vezikule oslobadja se u sinaptičku pukotinu (Sl. 67), tako da se pored neurotransmitera oslobađaju i ATP i hromogranin A, kao i enzim dopamin-β hidroksilaza koji nije vezan za membranu.

Kateholamini se iz sinaptičke pukotine uklanjanju ponovnim preuzimanjem u sinaptičke završetke pomoću nosača (NET) koji predstavlja kotransporter za neurotransmiter, Na+ i Cl-. Preuzeti molekuli se delom inaktivišu metaboličkom aktivnošću enzima monoaminooksidaze (MAO) koji je lociran na spoljnoj mitohondrijalnoj membrani, a koji oksidacijom prevodi kateholamine u neaktivne produkte, na primer, norpeinefrin u dihidroksifenilglikol (DHPG). Mali deo preuzetog neurotransmitera se ponovo pakuje u sinaptičke vezikule. U postsinaptičkom neuronu nalazi se enzim katehol-O-metiltransferaza (COMT) koji metilacijom prevodi supstrate u neaktivne produkte, npr. norepinefrin u normetanefrin. Glija ćelije sadrže dosta COMT. Farmakološki preparati koji blokiraju aktivnost MAO ili COMT potenciraju dejstvo kateholamina.

Za noradrenalin i adrenalin postoje dva tipa receptora α i β adrenergički receptori, pri čemu noradrenalin ima veći afinitet za α, a adrenalin za β adrenergičke receptore. Svi su G protein zavisni receptori: (a) α1 receptor aktivira PLC i povećava nivo IP3 i DG; (b) α2 inhibiše AC i smanjuje nivo cAMP; (c) β1, β2, β3 receptori povećavaju nivo cAMP u postsinaptičkoj ćeliji. Kod nekih neurona, receptori mogu da budu locirani i na presinaptičkoj membrani, pa aktivacija presinaptičkih receptora smanjuje oslobadjanje norepinefrina.

Dopamin Dopamin je prisutan u dopaminergičkim neuronima. Ima pet tipova dopaminergičkih receptora (D1 – D5). Svi su G-protein zavisni receptori. Uklanja se preuzimanjem u presinaptičke završetke. U razgradnji dopamina učestvuju i enzimi MAO i COMT.

HistaminHistamin nastaje dekarboksilacijom histidina. Inaktiviše se preuzimanjem i katalitičkim dejstvom MAO. Receptori su G-protein zavisni, aktiviraju PLC ili AC.

Sl. 67. Prikaz noradrenergičke sinapse. Objašnjenje u tekstu.Sl. 66 Šematski prikaz strukture Ach nikotinskog receptora u neuromuskularnoj vezu.

Serotonin5-hidroksitriptamin nastaje od triptofana hidroksilacijom i dekarboksilacijom. Uklanja se preuzimanjem i katalitičkim dejstvom MAO u neaktivne produkte. Opisano je 7 podtipova serotoninskih receptora, neki su ligand zavisni jonski kanali, a neki G-protein zavisni receptori.

Ekscitatorne AK: glutamat i aspartatGlutamat je glavni eksitatorni neurotransmiter u mozgu (oko 75% ekscitatornih sinapsi u mozgu). Aspartat je manje proučen. Glutamat ima dva tipa receptora. Jedni su jonotropni, odnosno ligand zavisni jonski kanali. Ima tri podtipa: NMDA receptori (vezuju N-metil-D-aspartat, jonski kanal za Na+, Ca2+ i K+), AMPA-receptori (vezuju AMPA tj. α-amino-3hidroksi-5metil-4-izoksazolpropionat, jonski kanal za Na+ i K+) i K/Q-receptori (kainatni receptori, vezuju kainatnu kiselinu, jonski kanal za Na+ i K+). Drugi tip su metabotropni tj. G-protein zavisni receptori, kojih takodje ima više podtipova (neki stimulišu PLC, drugi inhibišu AC).

Sl. 69. Kombinacija aktivnosti NMDA i AMPA receptora za glutamat. (1) U porečtku glutamat otvara samo AMPa receptore; (2) kada se dostigne depolarizacija za više od 20 mV, otvaraju se i

NMDA receptori.

Sl. 70. Receptor za inhibitorni neurotransmiter GABA. Receptor je ligand-zavisan jonski kanal za hlor. Prikazano je vezno mesto za

benzodiazepine i progesteron.

NMDA-receptori su posebno interesantni, jer su vezani za procese učenja. Imaju složen mehanizam aktivacije (Sl. 68 i 69). Sadrže vezno mesto za glicin, a vezivanje glicina omogućava vezivanje glutamata. Da bi kanal postao prohodan, mora da se izvrši prethodna depolarizacija postsinaptičke membrane za više od 20 mV, jer to deblokira otvor kanala koji je zatvoren Mg2+ jonima. Postinaptičke ćelije obično sadrže i AMPA i K/Q receptore i NMDA-receptore. Prvo se aktiviraju AMPA i kainatni-receptori, a kada dodje do depolarizacije veće od 20 mV aktiviraju se i NMDA-receptori. Ulazak Ca2+ u postsinaptički neuron, može da izazove aktivaciju Ca2+-zavisne azot oksid sintaze (NOS) koja katališe sintezu azot oksida (NO) od arginina. Glutamat se iz sinaptičke pukotine uklanja u presinaptičke završetke, kao i u astrocite ponovnim preuzimanjem.

GlicinGlicin je važan neurotransmiter u kičmenoj moždini. Receptor je ligand zavisan jonski kanal za Cl-. Strihnin inhibiše glicinske receptore kao kompetitivni antagonist.

GABAGABA je glavni inhibitorni neurotransmiter u mozgu. Učestvuje i u presinaptičkoj inhibiciji. Postoje tri tipa receptora za ovaj neurotransmiter: GABAA, GABAB i GABAC. GABAA i GABAC su ligand zavisni jonski kanali za hlor, a GABAB je G-protein-zavisan receptor. Dok su prva dva tipa široko rasprostranjena u CNS, GABAC se nalazi samo u retini. GABAA sadrži i vezno mesto za benzodiazepine koji potenciraju aktivnost receptora, pa tako pojačavaju aktivnost inhibitornih sinapsi (Sl. 70). Takođe je pokazano da progesteron i glukokortikoidni hormoni mogu da se vežu za ove receptore i da, ukoliko su prisutni u visokim koncentracijama, potenciraju dejstvo inhibitornih sinapsi. G-protein zavisni receptori deluju preko IP3 i DAG na otvaranje jonskog kanala za K+, uz istovremeno smanjenje ulaska Ca2+.

Supstanca P i drugi tahikiniSupstanca P i drugi tahikinini predstavljaju grupu od 6 polipeptida sa zajedničkom sekvencom na C-kraju. Učestvuju u prenosu informacija o bolnim stimulusima (videti poglavlje 7).

Opioidni peptidiEndogeni opioidi: enkefalini (5 AK), endorfini (25-30 AK) i dinorfini (8 i 17 AK), nastaju od prekursorskih molekula: proenkefalina, proopiomelanokortina i prodinorfina. Receptori za endogene opioide tzv. opiatni receptori su grupisani u tri tipa µ, k i α. µ receptor vezuje morfin, a otkrivena su dva endogena agonista µ receptora, tzv. endomorfin 1 i 2 (tetrapeptidi, prekursorski molekul nepoznat). Aktivacija µ receptora povećava provodljivost membrane za K+ jone, a aktivacija k i δ receptora dovodi do zatvaranja Ca2+ kanala. Endogeni opioidi imaju analgetski efekat, odnosno smanjuju osećaj bola (videti poglavlje 7), izazivaju sedaciju, euforiju, a ispoljavaju i druge efekte u organizmu.

Drugi polipeptidiNeuropeptid Y sreće se u postganglijskim simpatičkim vlaknima i oslobadja se pri većoj simpatičkoj aktivnosti, a pojačava vazokonstriktorni efekat noradrenalina. Somatostatin, vazopresin, oksitocin, bradikinin, gastrointestinalni hormoni: vazoaktivni intestinalni peptid (VIP), holecistokinin (CCK), gastrin, neurotenzin, galanin i drugi neuropeptidi, sreću se u presinaptičkim završecima centralnih i perifernih neurona.

ATP i adenozinATP se oslobadja u ECT zajedno sa noradrenalinom, dopaminom, i još nekim neurotransmiterima pri njihovom oslobadjanju iz završnih nožica neurona. Receptori za adenozin su G-protein zavisni receptori: podtipovi označeni sa A1 i A3 aktiviraju cAMP-signalni put, dok podtipovi

Sl. 68. NMDA receptor u zatvorenom (levo) i otvorenom (desno) stanju. Prikazano je vezno mesto za glutamat, glicin,blokada pore

jonima magnezijuma, kao i inhibitor MK-801.

A2A i A2B smanjuju nivo cAMP u postsinaptičkoj ćeliji. Receptori za ATP označeni kao P2Z i P2U su G-protein zavisni receptori koji aktiviraju fosfolipazu C (PLC), dok su P2X i P2Z ligand-zavisni jonski kanali.

Azot oksid(NO)Učestvuje kao neurotransmiter u procesima učenja. Nastaje u postsinaptičkom neuronu aktivacijom NMDA-R. Difunduje u presinaptičke završetke gde se vezuje za citozolnu formu guanilil ciklaze (cGC) koja katališe sintezu cGMP i pokreće se pojačana egzocitoza glutamata iz presinaptičkih završetaka. Pored azot oksida, jos jedan gasoviti molekul, ugljen monoksid (CO), koji nastaje u metabolizmu hema, takodje aktivira cGC, pa se predpostavlja da bi mogao da funkcioniše kao signalni molekul.

ProstaglandiniPredpostavlja se da moduliraju aktivnosti posredovane cAMP-om.

Pojam kotransmiteraDalejov princip (1930) kaže da neuron u svim sinapsama koje formira oslobadja isti neurotransmiter. To je kasnije interpretirano kao da neuron sadrži samo jedan neurotransmiter. Kasnije je utvrdjeno da neuroni sintetišu više od jednog neurotransmitera. Po pravilu jedan neuron sintetiše jedan neurotransmiter male molekulske mase i jedan ili više neuropeptida tj. neurotransmitera velike molekulske mase, pri čemu dati neuropeptidi potiču od istog prekursorskog molekula. Neuropeptidi su prisutni u centralnim i perifernim sinapsama. Neki neuropeptidi funkcionišu kao klasični neurotransmiteri, drugi modulišu sinaptičku aktivnost i oslobadjaju se pri povećanoj aktivnosti sinapsi.

4.3. Neuromuskularna veza

Transmisija (prenos) impulsa sa nervnog na skeletno mišićno vlakno vrši se preko tzv. neuromuskularne veze

(funkcionalna veza izmedju nervne i mišićne ćelije; mioneuralna veza). Klasična istraživanja svetlosnim mikroskopom pokazala su da akson koji inerviše mišićno vlakno na svom kraju gubi mijelinski omotač i grana se na veliki broj završnih nožica. Razgranati završeci motoneurona prodiru u udubljenja na mišićnom vlaknu (Sl. 71). Unutar završne nožice nalazi se veliki broj mitohondrija i malih prozirnih vezikula ispunjenih ACh. Sinaptičke vezikule nisu uniformno raspoređene duž presinaptičke membrane nego su grupisane u nivou aktivne zone, gde se nalaze smešteni i voltažno-zavisni L Ca2+ kanali. Membrana mišićnog vlakna je u delu ispod završne nožice motoneurona zadebljala i veoma naborana u vidu pravilnih palisada te predstavlja tzv. završnu motornu ploču koja sadrži nikotinske holinergičke receptore. Elektronskim mikroskopom se uočava diskontinuitet izmedju motornog neurona i mišićne ćelije tj. sinaptički prostor (sinaptička pukotina prečnika oko 50 nm). Sinaptička pukotina je ispunjena želatinoznom supstancom kroz koju struji medjućelijska tečnost. Oko ruba sinaptičkog žleba smešten je enzim acetilholinesteraza koji vrši razgradnju ACh. Izmedju palisada, koje predstavljaju pravilne prstaste invaginacije sarkoleme, nalazi se sekundarni sinaptički prostor.

Sl. 71. Neuromuskularna veza. Završna nožica u ulegnuću membrane mišićnog vlakna u sastavu neuromuskularne veze.

4.3.1. Sekvenca dogadjaja tokom transmisije signala u neuromuskularnoj vezi

Akcioni potencijal koji se prostire duž membrane motoneurona, prouzrokuje depolarizaciju membrane završne nožice i otvaranje voltažno-zavisnih kanala za Ca2+. Ca2+ ulazi iz ekstracelularnog prostora u unutrašnjost završne nožice. Povećanje koncentracije Ca2+ u završnoj nožici izaziva niz reakcija koje rezultiraju fuzijom membrane vezikula sa membranom završne nožice i egzocitozom ACh. ACh difunduje kroz sinaptički prostor i vezuje se za nikotinske receptore. otvaranje jonskih kanala izaziva pojavu ulazne Na+ i izlazne K+ struje. Kako je MPM motorne ploče mnogo bliži ravnotežnom potencijalu za K+ u odnosu na Na+, ulazna Na+ struja je jača od izlazne K+ struje i dolazi do depolarizacije membrane motorne ploče. Ova lokalna promena membranskog npotencijala naziva se potencijal motorne ploče (PMP). Pojava potencijalne razlike između motorne ploče zahvaćene depolarizacijom i bliskih delova sarkoleme izaziva pojavu lokalnih kružnih struja koje elektrotonički depolarišu delove sarkoleme do tačke okidanja. Dolazi do geneze akcionog potencijala sa obe strane završne motorne ploče i njegovog prostiranja duž sarkoleme mišićnog vlakna (Sl. 72).

Sl. 72. Šematski priukaz intracelularno registrovanog PMP na koji se nadovezuje AP.

Jedan akcioni potencijal prouzrokuje egzocitozu dovoljne količine ACh, koji će vezivanjem za nikotinske receptore izazvati PMP čija je amplituda 3-4 pa i 10

puta veća od praga nadražaja sarkoleme mišićnog vlakna. Ovo je tzv. faktor sigurnosti neuromuskularne veze koji omogućava siguran prenos signala sa nervne na mišićnu ćeliju. Delovanje ACh je kratkotrajno. Oko 2 msec nakon što se oslobodi iz završne nožice ACh ne deluje više na postsinaptičku membranu, jer ga enzim acetilholinesteraza razgradjuje na acetat i holin. Holin se resorbuje u završnu nožicu i koristi se za ponovnu sintezu ACh. Brza razgradnja ACh je preduslov za normalno funkcionisanje mioneuralnog spoja. U fiziološkim uslovima postoji ravnoteža izmedju količine oslobodjenog neurotransmitera i količine prisutnog enzima, koja reguliše kako koncentraciju, tako i vreme delovanja neurotransmitera. Svaki faktor koji remeti ovu ravnotežu, remeti i transmisiju nervnog impulsa. Kratak period kontakta ACh sa receptorom na završnoj motornoj ploči dovoljan je da se ona pobudi, a brzo odstranjivanje neurotransmitera i sinaptičke pukotine onemogućava desenzitivizaciju receptora.

4.3.2. Potencijal motorne ploče

Završna motorna ploča sadrži prosečno oko 50x106 ACh-receptora. Svaki nervni impuls oslobadja oko 60 ACh vezikula, a svaka vezikula sadrži oko 10000 molekula ACh. Ova količina je dovoljna da aktivira 10 puta veći broj ACh-receptora nego što je potrebno da se izazove PMP. Zbog velike količine Ach i aktivacije preko 200.000 nikotinskih receptora, PMP ima amplitudu 3-4 pa i 10 puta veću od praga nadražaja sarkoleme mišićnog vlakna. Stoga se u fiziološkim uslovima akcioni potencijal uvek javlja, i ukoliko se registrujuće elektrode postave u blizini nervnog završetka u predelu motorne ploče registruje se akcioni potencijal, a ne PMP (Sl. 73. A). Lokalna depolarizacija motorne ploče može se registrovati ukoliko se desetostruki faktor sigurnosti izbegne i njegova amplituda redukuje do vrednosti koja je nedovoljna da izazove genezu akcionog potencijala u susednim delovima sarkoleme. Ovo se može ostvariti

primenom malih doza kurarea koji je kompetitivni antagonist za ACh-nikotinske receptore. Efekat kurarea zavisi od njegove koncentracije. Velika koncentracija kurarea potpuno blokira neuromuskularnu transmisiju, a pri manjim dozama se ne blokiraju sva receptorna mesta, pa ACh izaziva depolarizaciju, ali mnogo manje amplitude. Ako je amplituda depolarizacije manja od 30 mV, ne dolazi do geneze akcionog potencijala nego se u takvim uslovima registruje PMP (Sl. 73 B). PMP se kao odgovor registruje samo lokalno, u regionu završne motorne ploče, amplituda mu opada eksponencijalno sa udaljenošću i vremenom, a takodje podleže prostornoj i vremenskoj sumaciji. Drugim rečima, ima sve karakteristike elektrotoničnog potencijala.

Sl. 73. Uticaj kurarea na potencijale registrovane u blizini motorne ploče kao odgovor na nervnu stimulaciju. (A) pre dodavanja kurarea;

(B) nakon aplikacije efikasne koncentracije kurarea.

Pokazano je da je motorna ploča aktivna i u stanju mirovanja, odnosno u odsustvu sinaptičke transmisije. Dolazi do povremenog i neregularnog oslobadjanja pojedinačnih vezikula sa ACh i bez depolarizacije membrane presinaptičkih završetaka. To izaziva promene membranskog potencijala motorne ploče u smislu depolarizacije od oko 0.5 mV, a te promene označene su kao minijaturni PMP. Izračunato je da za minijaturni PMP treba da se aktivira oko 2000 receptora. Jačina jonske struje kroz jedan ACh kanal iznosi 0.3 µV što je oko 2000

puta manje od vrednosti monijaturnog PMP. Kako za aktivaciju jednog receptora treba 2 molekule, da bi se izazvala depolarizacija od 0.5 mV treba najmanje 2000 molekula ACh. Ako se uzme u obzir da deo molekula ACh po oslobađanju u sinaptičku pukotinu ne stigne do receptora, broj od 5000 potrebnih molekula izgleda realan.

4.3.3. Ogledi Kloda Bernara

Veliku zaslugu za objašnjenje pojave prenošenja impulsa sa nerva na mišić ima Klod Bernar (Claud Bernard, 1850), koji je započeo sistematska ispitivanja delovanja kurarea na mišiće. Sirovi kurare je crna smolasta masa, rastvorljiva u vodi. Dobija se iz biljaka familije Strychnos i biljke Chondrodendron tometosum. Iz kurarea je prvo izdvojen alkaloid - kurarin, a kasnije je ustanovljeno da on sadrži još nekoliko srodnih alkaloida sa sličnim farmakološkim delovanjem. Delovanje otrova kurare i oduzetost koju on prouzrokuje bili su poznati još od davnina. Plemena južnoameričkih Indijanaca koristila su kurare da njime oblože vrhove strela kojima su lovili životinje. Životinja pogođena takvom strelom bila bi paralisana, ali njeno meso nije bilo otrovno. Kurare je iz Amerike prenesen u Evropu još u XVI veku, ali sistematska ispitivanja njegovog dejstva vezana su za ime Klod Bernara. On je uradio sledeće oglede. Uzeo je jedan nervno-mišićni preparat žabe i potopio ga u rastvor kurarea. Posle izvesnog vremena izvadio ga je iz rastvora i ispitao njegovu funkcionalnost. Konstatovao je da mišić reaguje kontrakcijom samo prilikom direktnog nadraživanja, dok pri indirektnom nadraživanju mišića, preko nerva, do kontrakcije ne dolazi. Na osnovu ovog ogleda mogao je predpostaviti da kurare uništava nervne ćelije, dok mišićne ostavlja funkcionalne. Da bi to proverio, u drugom ogledu postavio je nerv drugog nervno-mišićnog preparata u otrov, a mišić je ostavio van otrova. Posle izvesnog vremena konstatovao je da do kontrakcije mišića dolazi i pri direktnom i pri indirektnom nadraživanju, što govori o tome da kurare ne

deluje ni na funkcionalnost nervne ćelije. U trećem ogledu postavio je samo mišić trećeg nervno-mišićnog preparata u otrov, a nerv je ostavio van otrova. U tom slučaju dobio je kontrakciju mišića samo pri direktnoj stimulaciji. Na osnovu ova tri ogleda zaključio je da kurare ne deluje na funkcionalnost nervne i mišićne ćelije, ali da na neki način koči prenošenje informacije sa nerva na mišić. U to vreme još se nije znalo za postojanje neuromuskularne veze, delovanje ACh, pa se nije moglo znati ni za tačan mehanizam delovanja kurarea.

4.3.4. Blokatori neuromuskularne veze

Inhibicija neuromuskularne transmisije može da se vrši na nivou presinaptičke i na nivou postsinaptičke ćelije. U prvom slučaju vrši se inhibicija proteina koji učestvuju u procesu egzocitoze, pa se blokira oslobađanje acetilholina. Botulinum A i B izazivaju flakcijalnu paralizu blokadom sekrecije ACh u neuromuskularnoj vezi. Tetanus izaziva spastičku paralizu blokadom sekrecije ACh u centralnom nervnom sistemu. Na nivou postsinaptičke ćelije deluju antagonisti i agonisti nikotinskih receptora. Antagonisti su D-tubokurarin koji je izolovan iz kurarea, kao i α-bungarotoksin, otrov kobre Bungarus multicinctus. To je polipeptid od 74 aminokiselina koji ima polu-život nekoliko dana, i konstantu disocijacije 10-15mol/L. Mala vrednost konstante disocijacije ukazuje na veliki afinitet ovog antagonista za nikotinske receptore, a udruženo sa sporom razgradnjom rezultira ogromnom toksičnošću u vrlo malim koncentracijama. Antagonisti blokiraju nikotinske receptore i sprečavaju dejstvo Ach. Agonisti izazivaju aktivaciju nikotinskih receptora, medjutim kako u nivou motorne ploče nije prisutan sistem za uklanjanje sintetskih agonista, dolazi do produžene depolarizacije i desenzitivacije receptora, pa je membrana završne motorne ploče neosetljiva na nove impulse. Leptosukcinhlorid je sintetski agonist. Inhibitori ACh-esteraze takođe blokiraju prenos impulsa u neuromuskularnoj vezi. Zbog nagomilavanja Ach dolazi do desenzitivizacije

receptora. Fizostigmin, neostigmin i ezerin su reverzibilni inhibitori ACh-esteraze. Posle nekoliko časova se odvajaju od enzima, pa se hidroliza ACh ponovo uspostavlja. Insekticidi se vezuju ireverzibilno, prouzrokujući nakupljanje velike količine ACh i trajnu depolarizaciju. Diizopropilfluorofosfat (DPFP) je nervni bojni otrov, a deluje tako što trajno inaktiviše ACh-esterazu, pa mu je delovanje dugotrajnije. Potrebno je nekoliko nedelja da se u organizmu resintetišu dovoljne količine ovog enzima.

4.3.5. Autoimune bolesti u vezi sa neuromuskularnom vezom

Myastenia gravis je autoimuna bolest pri kojoj se javlja slabost mišića koji se lako kidaju. Oboljenje nastaje zbog toga što organizam stvara antitela za nikotinske receptore. Ova antitela smanjuju broj funkcionalnih nikotinskih receptora ili ometaju interakciju ACh sa receptorom. Razlog nastajanja autoimunosti na nikotinske receptore još uvek je nepoznat. Lamber-Eatenov sindrom je takodje autoimuna bolest kod koje je izražena produkcija antitela koja se vezuju za voltažno-zavisne Ca++-kanale, te je na taj način onemogućen ulaz Ca++, a time i egzocitoza ACh i transmisija signala sa nervne na mišićnu ćeliju.

4.4. Nervni završeci u glatkom i srčanom mišiću

Glatki i srčani mišiči inervisani su postganglijskim vlaknima simpatičke i parasimpatičke komponente vegetativnog nervnog sistema. Ovi neuroni se bogato granaju i dolaze u prisan kontakt sa mišićnim ćelijama. Neka od ovih vlakana sadrže prozirne vezikule sa ACh, tj. predstavljaju holinergička vlakna, a neka sadrže granulirane vezikule sa noradrenalinom tj. predstavljaju noradrenergička vlakna. Za noradrenergička vlakna je pokazano da se pružaju duž mišićnih vlakana i da sadrže

0 1

5proširenja (varikozitete) u kojima se nalaze vezikule sa noradrenalinom. Predpostavlja se da su i holinergička vlakna slične morfologije. Neurotransmiter se oslobadja u nivou proširenja, odnosno jedan neuron može da aktivira više efektornih ćelija. Ovakav tip kontakta označava se kao sinapsa u prolazu. Aktivacija noradrenergičkih postsinaptičkih vlakana dovodi do pojave lokalnih promena membranskog potencijala efektorne ćelije u nivou spoja. Promene su male amlitude, a označavaju se kao potencijal veze (junction potencijal, JP). Ove promene mogu da budu ekscitatornog i inhibitornog

karaktera (ekscitirajući potencijal veze, i inhibirajućui potencijal veze). Električni odgovori efektornih ćelija konstatovani su u mnogim tkivima koja su inervisana vegetativnim nervnim sistemom, ali trajanje sinaptičkog kašnjenja varira. Razlog može da bude sinapsa u prolazu, ali i difuzija neurotrasmitera od mesta oslobadjanja do mnogih mišićnih ćelija u okolini.

Poglavlje 5.

PERCEPCIJA, RECEPTORI

Čulne (receptorne) ćelije, kao i završeci senzitivnog neurona koji imaju ulogu receptora predstavljaju detektore promena u spoljašnjoj i unutrašnjoj sredini organizma. Receptori su i energetski transduktori, jer različite vidove energije pretvaraju u nervnu aktivnost. Primena stimulusa izaziva u receptornoj membrani otvaranje/zatvaranje jonskih kanala, što dovodi do pojave/ukidanja jonskih struja i promene membranskog potencijala mirovanja. Promena može da predstavlja lokalnu depolarizaciju ili hiperpolarizaciju membrane, a označena je kao generatorski ili receptorni potencijal (videti kasnije). Ukoliko je generatorski potencijal dovoljne amplitude dovodi do geneze akcionog potencijala u senzitivnom neuronu, ili pak oslobađanja neurotransmitera odgovornog za prenos signala na sledeću ćeliju u okviru senzornog sistema. Ono što je specifično za svaki receptor jeste mehanizam transdukcije datog vida energije u promenu polarizovanosti receptorne membrane, odnosno pojavu generatorskog potencijala. Na primer, kod mehanoreceptora deformacija plazma membrane

pod dejstvom mehaničkih stimulusa dovodi do otvaranja jonskih kanala i pojave lokalne depolarizacije (Sl. 74a). Kod olfaktornih hemoreceptora, hemijske materije vezuju se za specifične membranske proteine, G-protein zavisne receptore, koji aktivacijom AC omogućavaju sintezu cAMP. Ovaj intracelularni glasnik se vezuje za jonske kanale što menja njihovu konformaciju i dovodi do otvaranja kanala i pojave jonskih struja (Sl. 74 b). Kod fotoreceptora, svetlost izaziva aktivaciju rodopsina, sledi aktivacija G-proteina tzv. transducina, aktivacija fosfodiesteraze i hidroliza cGMP što izaziva zatvaranje Na+-kanala, koji su otvoreni ako je cGMP kao alosterni modulator vezan za kanalske proteine. Ovih nekoliko primera ilustruje način transdukcije u receptorima.

Sl. 74 Primeri mehanizma transdukcije: (a) mehanoreceptori – deformacija membrane izaziva otvaranje kanala, tzv. mehano-senzitivni jonski kanali; (b) hemoreceptori – vezivanje liganda za G-protein zavisan receptor aktivira cAMP signalni put, vezivanje cAMP za jonski kanal indukuje promenu konformacije i otvaranje

kanala.

5.1. Kategorizacija receptora

Prema fiziološkoj dispoziciji receptori mogu da se klasifikuju na: mehanoreceptore, hemoreceptore, termoreceptore, fotoreceptore i elektroreceptore kod pojedinih vrsta riba. Ova podela uključuje u sebe pet karakteristika spoljne sredine organizma ili ćelije. Ustvari, fizičke i hemijske karakteristike spoljne sredine mogu biti opisane u odnosu na ovih pet karakteristika, a to su: mehanički uslovi, hemijska kompozicija sistema, temperatura, emisija ili apsorpcija svetlosti i električne osobine. Drugim rečima, receptori transformišu mehaničku, toplotnu, elektromagnetnu i hemijsku energiju u električnu energiju nervnog impulsa. Specijalizacija receptora povećava njihovu osetljivost na određenu vrstu stimulusa, koji se označava kao adekvatan stimulus za koji je prag nadražaja receptora najniži. Receptor može da se nadraži i neadekvatnim stimulusom, ali tada intenzitet stimulusa mora da bude daleko veći u odnosu na intenzitet praga nadražaja adekvatnog stimulusa. Primer za to jeste udarac u predelu oka, što može da aktivira fotoreceptore u retini i da osoba stekne senzaciju o svetlosti. Ovakav efekat je posledica načina kodiranja modaliteta stimulusa (videti kasnije).

Prema morfologiji, receptori mogu da se klasifikuju na čulne ćelije i završetke senzitivnog neurona. Čulne ćelije mogu da budu primarne i sekundarne. Primarne čulne ćelije imaju nastavak usmeren ka senzitivnom neuronu kome predaju informaciju, dok sekundarne čulne ćelije nemaju nastavak i u sinaptičkom su kontaktu sa završecima senzitivnog neurona. Senzitivni završeci mogu da budu slobodni i učaureni. U većini kožnih čulnih organa (receptori za dodir, bol, temperaturu) receptori su predstavljeni specijalizovanim nervnim završecima koji mogu biti slobodni ili učaureni. Pačinijevo telašce je primer učaurenog nervnog završetka, a prema funkciji je mehanoreceptor. Ono se sastoji od ravnog

nemijeliniziranog završetka senzitivnog nervnog vlakna koji je okružen lamelama vezivnog tkiva. Mijelinski omotač oko nervnog vlakna započinje unutar ovih lamela, a tu se nalazi i prvi Ranvijerov čvor.

Prema tome gde su smešteni, odnosno prema njihovoj lokalizaciji, receptori se klasifikuju na spoljašnje ili eksteroreceptore i unutrašnje ili interoreceptore. Eksteroreceptori obuhvataju receptore u koži za dodir, bol, toplo i hladno, kao i čulne organe za vid, sluh, ravnotežu, ukus i miris. Interoreceptori obuhvataju proprioreceptore u skeletnim mišićima, i visceroreceptore u unutrašnjim organima.

5.2. Mehanizam transdukcije, generatorski potencijal

Električni i jonski dogadjaji u receptoru. Pačinijevo telašce je detaljno proučeno u odnosu na električne i jonske dogadjaje tokom stimulacije. Pačinijevo telašce zajedno sa delom aferentnog neurona može da se izoluje i postavi u odgovarajuću komoru. Adekvatan mehanički stimulus se primenjuje pomoću mehano-električnog kristala (Senjatova so) koji se prisloni na kapsulu, a zatim se primenjuju električni stimulusi određenog intenziteta. Ovaj kristal električne stimuluse pretvara u mehaničke stimuluse određenog intenziteta. Ako se registrujuće elektrode postave na nervno vlakno na mesto na kome ono izlazi iz lamela, a zatim se primeni podpragovni intenzitet stimulusa, registrovaće se promena membranskog potencija lokalnog karaktera koja predstavlja depolarizaciju. Ovaj potencijal zove se generatorski potencijal ili receptorni potencijal. Ako se intenzitet stimulusa poveća, povećaće se i amplituda generatorskog potencijala (Sl. 75). Kada amplituda generatorskog potencijala dostigne odredjenu vrednost, na prvom Ranvijerovom čvoru dolazi do stvaranja akcionog potencijala. Dalje povećanje intenziteta povećava

amplitudu generatorskog potencijala, a nervno vlakno ponovljeno odašilje impulse. Tehnikom mikrodisekcije bilo je dokazano da odstranjivanje lamela ne ukida pojavu generatorskog potencijala. Ako se prvi Ranvijerov čvor blokira (npr. anesteticima) ne dolazi do javljanja akcionog potencijala, a generatorski potencijal ostaje nepromenjene amplitude. Ako se nervno vlakno preseče i nemijelinizirani završetak degeneriše (jer je odvojen od tela nervne ćelije) ne dolazi do javljanja generatorskog potencijala i akcionog potencijala. Ti i slični eksperimenti su dokazali da se generatorski potencijal javlja na nemijeliniziranom delu vlakna.

Pojava generatorskog potencijala, odnosno lokalne depolarizacije membrane može se objasniti promenom propustljivosti membrane za jone Na+. Mehanički stimulus dovodi do deformacije receptorne membrane, što otvara mehano-senzitivne Na+-kanale. Generatorski

Sl. 75 Povećanje amplitude generatorskog potencijala sa povećanjem intenziteta stimulusa, i geneza akcionog potencijala na prvom Ranvijerovom čvoru senzitivnog neurona. (1) intenzitet stimulusa nedovoljan da izazove genezu akcionih potencijala; lokalne kružne struje koje se javljaju između receptorne membrane zahvaćene generatorskim potendijalom i prvog Ranvijerovog čvora nedovoljnog intenziteta za dostizanje tačke okidanja; (2) dostignut prag nadražaja, ali je amplituda generatorskog potencijala samo na početku stimulacije dovoljno da dostigne tačku okidanja; (3) veći intenzitet stimulusa, veća amplituda generatorskog potencijala, duže vreme ponovljeno

okidaju akcioni potencijali.

potencijal je lokalna promena membranskog potencijala (najčešće depolarizacija) na generatorskoj membrani. Ima sve osobine elektrotoničkog potencijala: graduisan odgovor srazmeran primenjenom intenzitetu stimulusa, karakteriše se prostornom i vremenskom konstantom, moguća prostorna i vremenska sumacija, ne dovodi membranu u refraktornu fazu.

Elektrogeneza akcionog potencijala. Akcioni potencijal se javlja na prvom Ranvijerovom čvoru. Uspostavljanje lokalnih kružnih struja izmedju nemijeliniziranog dela membrane na kome se javio generatorski potencijal i prvog Ranvijerovog čvora dovodi do depolarizacije membrane prvog Ranvijerovog čvora. Ako depolarizacija dostigne tačku okidanja generiše se akcioni potencijal. Kako generatorski potencijal traje duže od akcionog potencijala, u odgovor na generatorski potencijal javlja se više od jednog akcionog potencijala. Frekvenca okidanja akcionih potencijala zavisi od amplitude generatorskog potencijala, odnosno od intenziteta stimulusa. Sve dok je amplituda generatorskog potencijala iznad praga nadražaja prvog Ranvijerovog čvora, vrši se ponovljeno odašiljanje akcionih potencijala.

5.3. Kodiranje senzorne informacije

Kako stimulus izaziva subjektivni osećaj? Kojim nizom fizioloških događaja? Za Ernsta Vebera (Ernst Weber) i Gustava Fehnera (Gustav Fechner), tvorce eksperimentalne psihologije, to su bila ključna pitanja. Oni su uveli novu eru u istraživanja u domenu receptora. Utvrdili su da se svi receptori aktiviraju odgovarajućim fizičkim stimulusom (određena vrsta energetske promene), da ta aktivacija izaziva niz događaja koji rezultiraju prevođenjem različitih vidova energije u nervne impulse, i treće, da je odgovor na taj signal percepcija, odnosno svesni doživljaj datog osećaja. Ustanovili su da

senzorni sistem detektuje i prevodi u nervnu aktivnost četiri osobine stimulusa: modalitet, intenzitet, trajanje i lokaciju. Sve se to zajedno kombinuje u osećaj (senzaciju) koji doživljavamo kao dejstvo određenog stimulusa.

5.3.1. Modalitet

Izmedju senzornih nervnih vlakana ne postoje veće razlike u prenošenju akcionih potencijala (postoje izvesne razlike u brzini kondukcije i amplitudi akcionog potencijala, ali ne velike). Postavlja se pitanje na koji način stičemo senzacije o pritisku, bolu, temperaturi spoljne sredine itd ? Oseti koje izazivaju impulsi stvoreni u nekom receptoru zavise od toga koji se specifični deo kore velikog mozga aktivira. Specifični senzorni putevi su diskretni (strogo omeđeni) počevši od receptora do kore velikog mozga. Kad god se podraži nervni put iz nekog odredjenog čulnog organa, to će izazvati onaj osećaj za koji je receptor specijalizovan, bez obzira na kom delu puta i na koji način je aktivnost bila pobudjena. Ovaj princip dobio je neodgovarajuće ime: doktrina o specifičnoj živčanoj energiji. Svako nervno vlakno polazi od nervnog završetka (senzornog receptora), a na drugoj strani se priključuje na specifičnu krajnju stanicu u CNS-u. Specifično područje u nervnom sistemu do koga vode senzorna vlakna odredjuje tip oseta koji osećamo kada je nervno vlakno podraženo. Prema tome, svako senzorno vlakno prenosi samo jedan modalitet osećaja (senzacije).

Ovde treba napomenuti da svaki modalitet ima svoje submodalitete. Naime, hemoreceptori u ukusnim pupoljcima razlikuju slatko, slano, kiselo i gorko, kao četiri osnovna ukusa. Takođe, zvukovi različite frekvence aktiviraju u čulu sluha dlakaste ćelije smeštene na različitim pozicijama duž bazilarne membrane u Kortijevom organu. Naime, dlakaste ćelije smeštene pri bazi puža reaguju na zvukove visoke frekvence, a one locirane blizu apeksa na zvukove niske frekvence.

5.3.2. Intenzitet

Izmedju frekvence odašiljanja impulsa i amplitude generatorskog potencijala postoji linearna zavisnost. Stoga je odnos izmedju intenziteta stimulusa i frekvence odašiljanja impulsa analog odnosu izmedju intenziteta stimulusa i amplitude generatorskog potencijala. Ako je dat stepenom funkcijom

y=bxm , y-frekvenca odašiljanja impulsa,

gde je x-intenzitet stimulusa, a m – eksponent čija vrednost može da bude ≤ 1, receptor reaguje na uži dijapazon intenziteta stimulusa. Ukoliko je odnos izmedju intenziteta stimulusa i frekvence odašiljanja impulsa dat Weber-Fehnerovom formulom

y=b logx +a, y- frekvenca odašiljanja impulsa

gde je x-intenzitet stimulusa, receptor reaguje na širi dijapazon intenziteta stimulusa, ali je zato razlikovanje intenziteta smanjeno. Primer je čulo sluha, gde dlakaste ćelije registruju šapat i buku mlaznog aviona.

Informacija o intenzitetu stimulusa kodira se pomoću dva mehanizma: (1) frekvencom odašiljanja impulsa koji nastaju usled aktivnosti u nekom odredjenom receptoru; veći intenzitet veća je i frekvenca; (2) promenom broja aktiviranih receptora obzirom da svi receptori u datom receptornom polju nemaju isti prag nadražaja; povećanjem intenziteta stimulusa povećava se broj aktiviranih receptora.

Osećaj koji stičemo na osnovu primene datog intenziteta stimulusa rezultat je: (a) apsolutne detektabilnosti stimulusa tj. kodiranja u receptoru i senzornom sistemu, i (b) iskustvenih kriterijuma koje subjekt koristi da odredi da li je stimulus delovao. To su ustvari dva aspekta senzacije (osećaja). Moguća je modifikacija praga osetljivosti

senzornog sistema, pri čemu je moguća promena jednog ili oba aspekta. Na primer, morfin je snažan analgetik i on redukuje detektabilnost bolnog stimulusa (videti kasnije u poglavlju 7), ali i iskustvene kriterijume koje subjekt koristi da odredi intenzitet bolnog stimulusa. S druge strane, marihuana takođe povećava prag osetljivosti na bol, ali menjajući kriterijume, a ne kodiranje intenziteta stimulusa.

5.3.3. Trajanje stimulusa, adaptacija receptora, tonički i fazni receptori

Ukoliko se na neki čulni organ primeni dugotrajan stimulus konstantnog intenziteta frekvenca odašiljanja impulsa se smanjuje. Ova pojava zove se adaptacija. Prema tome koliko brzo se adaptiraju, svi receptori dele se na tonične (sporo-adaptirajuće) i fazne (brzo-adaptirajuće) receptore (Sl. 76). Tonični receptori su na primer receptori u zglobnim čaurama koji nas obaveštavaju o položaju tela, receptori za zvuk, za bol, mehanoreceptori u arterijama. Oni se sporo adaptiraju, odnosno odašilju impulse sve dok traje stimulacija. Fazični receptori se brzo adaptiraju na promene spoljne sredine, tj. reaguju samo na početak ili kraj stimulacije. Fiziološki smisao ovakvog reagovanja

Sl. 76. Brzo (a) i sporo (b) adaptirajući receptori.

6receptora je jasan. Na sl. 76 se vidi da kod faznih receptora generatorski potencijal traje vrlo kratko uprkos trajanju stimulusa, pa se stoga akcioni potencijali javljaju samo na početku i na kraju stimulacije. Kod toničnih receptora generatorski potencijal traje dokle god traje stimulacija, pa stoga senzitivni neuron ponovljeno generiše akcione potencijale.

5.3.4. Lokacija

Prostorna organizacija aktiviranih receptora u čulnom organu sadrži informaciju o stimulusu. U modalitetima vezanim za eksteroreceptore u koži i u čulu vida, prostorna organizacija receptora nosi informaciju o lokaciji stimulusa na telu ili o izvoru stimulusa u spoljašnjoj sredini. Takođe, obezbeđuje razlikovanje veličine i oblika

objekta, kao i fine detalje stimulusa ili okoline. Ovaj prostorni aspekt stimulusa povezan je sa strukturom receptornog polja senzitivnog neurona. Na primer, receptorno polje mehanoreceptora za dodir predstavlja deo kože koji je inervisan završecima posmatranog senzitivnog neurona, kao i deo kože sa koje taktilni stimulus može da dopre do senzitivnih završetaka. Svaki receptor odgovara na stimulaciju u okviru svog receptornog polja. Stimulus koji deluje na veću oblast kože, aktiviraće i druge receptore. Prema tome veličina stimulusa utiče na broj aktiviranih receptora. Tako će košarkaška lopta koju držimo sa obe ruke, aktivirati veći broj receptora nego olovka koju držimo palcem i srednjim prstom. Gustina receptora na datom delu tela određuje kako senzorni sistem može da obradi detalje stimulacije date oblasti.

Poglavlje 6.

FUNKCIONALNA ORGANIZACIJA NERVNOG SISTEMA

6.1. Refleksni luk

Refleksni luk je osnovna jedinica integrisane nervne akivnosti (Sl. 77). On se sastoji od receptora, aferentnog neurona, jedne ili više sinapsi u centralnom delu za integraciju, eferentnog neurona i efektora. Kod sisara se obično spojevi izmedju aferentnih i eferentnih somatskih neurona nalaze u mozgu ili kičmenoj moždini. Aferentni neuroni ulaze kroz dorzalne korenove kičmene moždine ili kroz kranijalne nerve, a ćelijska tela im se nalaze u ganglijama zadnjih korenova ili u homologim ganglijama moždanih nerava. Eferentna vlakna izlaze kroz ventralne korenove ili kroz odgovarajuće motorne kranijalne nerve. U refleksnom luku postoje tri tzv. spoja ili područja poput spoja u kojima se javljaju graduisani odgovori. To su područje veze izmedju receptora i aferentnog neurona; sinapsa izmedju aferentnog i eferentnog neurona i neuromuskularna veza. Na svakom od ova tri mesta generiše se lokalni dgovor čija je veličina srazmerna

veličini ulaznog stimulusa. Sve su to elektrotonične promene lokalnog karaktera, karakterišu se odredjenom vremenskom i dužinskom konstantom, prostorno i vremenski se mogu sumirati, i ne dovode membranu u refraktornu fazu. Impulsi koji se prostiru aksonima aferentnih i eferentnih neurona su prostirući fenomeni i ponašaju se prema zakonu ”sve ili ništa”. Broj akcionih potencijala u aferentnom nervnom vlaknu proporcionalan je jačini stimulusa koji deluje na receptorni organ. Veza izmedju aferentnih i eferentnih neurona nalazi se u CNS, pa aktivnost u refleksnom luku može, u znatnoj meri, biti modifikovana brojnim ulaznim i izlaznim signalima koji konvergiraju na eferentne neurone.

Sl. 77 Refleksni luk. Objašnjenje u tekstu.

Najprostiji refleksni luk ima samo jednu sinapsu izmedju aferentnog i eferentnog neurona i naziva se monosinaptički, a refleksi koji se pomoću njih ostvaruju su monosinaptički refleksi (refleks na istezanje). Refleksni lukovi kod kojih je jedan ili više interneurona umetnuto izmedju aferentnih i eferentnih neurona su polisinaptički, a broj sinapsi može da se kreće od dve do više stotina. Veliki broj interneurona u okviru CNS jeste baza za formiranje ogromnog broja sinaptičkih kontakata i neuronskih mreža koje omogućavaju obradu ulaznih signala.

6.2. Neuronske mreže

Smatra se da u mozgu čoveka postoji oko 1014 sinapsi. Podaci o tome da svaki neuron ostvaruje u proseku oko 1000 sinaptičkih kontakata, a toliko sinapsi ima na njegovoj somi i dendritima, ukazuju na složenost interakcije među neuronima i kompleksnost neuronskih mreža koje oni formiraju. I pored toga, moguće je izdvojiti nekoliko osnovnih formi povezivanja neurona i načina na koji se ulazni signal transformiše u izlazni.

6.2.1. Zona okidanja, facilitacija, sumacija i okluzija

Ukoliko se posmatraju ekscitatorne sinapse između jednog ulaznog neurona i poststinaptičkih neurona sa kojima ostvaruje sinaptičke kontakte, može se predpostaviti da se na pojedinim postsinaptičkim neuronima završava dovoljan broj presinaptičkih završetaka datog ulaznog neurona, koji će, kada je ulaz aktivan, obezbediti prostornu sumaciju EPSP, dostizanje tačke okidanja na inicijalnom segmentu svakog od tih neurona i genezu akcionih potencijala. Za neurone koji generišu akcione potencijale (okidaju) kaže se da se nalaze u zoni okidanja (Sl. 78). Međutim, postoje postsinaptički neuroni sa kojima ulazni neuron ne ostvaruje dovoljan broj

sinaptičkih kontakata, i ti neuroni ne generišu akcioni potencijal kada je ulazni neuron aktivan. Za te neurone se kaže da se nalaze u zoni facilitacije, jer se na njima javljaju EPSP, ali amplituda depolarizacije ne dostiže tačku okidanja inicijalnog segmenta (Sl. 78). Primeri facilitatornih uticaja biće obrađeni u poglavlju 11.

Sl. 78. Ilustracija (a) zone okidanja i zone facilitacije; (b) zone sumacije; (c) zone okluzije. Objašnjenje u tekstu.

Ako se posmatraju dva ulazna neurona, može da se predpostavi da oni deo svojih sinaptičkih kontakata ostvaruju na istim postsinaptičkim neuronima. U tom slučaju mogu da se preklope dve zone facilitacije, ali i dve zone okidanja. U prvom slučaju, kada se preklope dve zone facilitacije, može da dođe do sabiranja EPSP pri istovremenoj aktivaciji oba ulazna neurona, i da amplituda sumiranih EPSP dostigne tačku okidanja inicijalnog segmenta (Sl. 78). U tom slučaju u tim neuronima će se generisati akcioni potencijali. Može da se predpostavi da je potrebno da se sumiraju sinaptički uticaji tri ulazna neurona, i u tom slučaju preklapanje dve zone facilitacije ne bi dovelo do okidanja akcionih potencijala u postsinaptičkim neuronima. U drugom slučaju, ako se preklope dve zone okidanja, pri istovremenoj aktivaciji oba ulazna neurona, neuron koji se nalazi u preklopljenoj zoni tzv. okludirani neuron (Sl. 78) neće okinuti dva puta, nego samo jednom. Ako posmatramo razdvojeno aktivnost jednog, pa drugog ulaznog neurona vidimo da prvi izaziva genezu akcionog potencijala u 5, a drugi u 4 neurona, što bi ukupno bilo 9 akcionih potencijala. Međutim, postoji samo osam postsinaptičkim neurona. Prema tome, pri istovremenoj aktivnosti oba ulazna neurona okinuće osam postsinaptičkih neurona. Primeri zona sumacije i okluzije biće dati u poglavlju 11.

6.2.2. Konvergencija i divergencija

U poglavlju o sinapsama rečeno je da se motoneuron nalazi u sinaptičkom kontaktu sa oko 10.000 presinaptičkih završetaka, što znači da veći broj presinaptički neurona stupa u kontakt sa jednim postsinaptičkim neuronom. To predstavlja konvergenciju. Za sve neurone koji konvergiraju na isti postsinaptički neuron, on predstavlja zajednički finalni put. Pokazano je da u kičmenoj moždini u dorzalnim korenovima spinalnih živaca ima oko 500.000 nervnih vlakana, dok je u ventralnim korenovima prisutno oko 100.000. To znači da senzitivnih neurona ima 5 puta više od motornih. Međutim na motoneuron

ne konvergiraju samo senzitivni neuroni iz istog nivoa kičmene moždine, nego i asocijativna vlakna iz drugih segmenata kičmene moždine, kao i iz viših delova CNS. Za sve te neurone, motoneuron predstavlja zajednički finalni put (Sl. 79 a).

Divergencija znači pojačavanje i širenje signala na više nivoa (Sl. 79 b). Jednostavan primer je stimulacija date receptorne zone na jednom od ekstremiteta stimulusima različitog intenziteta pri čemu se posmatra efektorna reakcija mišića. Dobija se odgovor sve većeg broja efektora. Divergencija postoji i na nivou ganglija parasimpatičke komponente vegetativnog nervnog sistema (videti kasnije).

Sl. 79.Konvergencija (a) i divergencija (b). Objašnjenje u tekstu.

100 101

6.2.3. Paralelne veze i reverberantni krugovi

U prethodnim primerima, prenos informacije sa ulaznog neurona na izlazni nije podrazumevao pojačanje signala u smislu njegovog dužeg trajanja. Međutim, postoje veze u kojima jednostruka aktivnost ulaza rezultira višestrukom reakcijom izlaza, odnosno dolazi do produženog trajanja signala. Ovakav način aktivnosti postiže se u paralelnim vezama i reverberantnim krugovima (oscilatornim vezama).

Paralelne veze se stvaraju pomoću aksonskih kolaterala interneurona. Na slici 4a prikazana je paralelna veza. Izlazni neuron b se aktivira četiri puta, neuronom a, c, e i h. Neuron h se uključuje najkasnije, jer između neurona

a i h postoje tri sinapse, dok između neurona a i c postoji samo jedna sinapsa. Kako se hemijske sinapse karakterišu sinaptičkim kašnjenjem, veći broj sinapsi znači da će trebati više vremena da neuron h dođe na red da aktivira neuron b, u odnosu na neuron a, c ili e. Paralelne veze ne mogu da proizvedu dugotrajno ponovljeno okidanje izlaznog neurona. To zavisi od broja paralelnih veza koje idu na izlazni neuron (Sl.80 a).

Oscilatorne veze, ili reverberantni krugovi, omogućavaju dugotrajno ponovljeno okidanje izlaznih neurona. U ovakvoj vezi, izlazni neuron šalje aksonsku kolateralu na interneuron koji ga zatim aktivira direktno kao što je prikazano na slici 80 (b), ili preko interneurona. Teorijski, reverberantni krug mogao bi da funkcioniše trajno, međutim u stvarnosti to nije slučaj. Dugotrajna aktivnost može da iscrpi rezerve neurotransmitera što može prekinuti kruženje impulsa. Smanjeno oslobađanje neurotransmitera rezultiraće manjom amplitudom EPSP, nedostizanjam tačke okidanja i gašenjem impulsa. Takođe, ponovljeno okidanje akcionih potencijala može da produži trajanje akcionog potencijala, a time i trajanje apsolutne refraktornosti membrane. Može da se desi da membrana inicijalnog segmenta bude u refraktornoj fazi u momentu generisanja ekscitirajućih postsinaptičkih potencijala, i tada oni neće moći da izazovu depolarizaciju inicijalnog segmenta do tačke okidanja.

6.2.4. Spontana aktivnost centralnih neurona

U centralnom nervnom sistemu postoje spontano aktivni neuroni koji generišu akcione potencijale bez pristizanja aferentnih impulsa (Sl. 81). Često su ritmičkog karaktera i karakterišu se pojavom prepotencijala. Mogu da budu modulirani facilitatornim i ekscitatornim uticajima iz različitih izvora. Primeri spontano aktivnih neurona obradiće se u poglavlju 14 u vezi automatskih centara za disanje i kardiovaskularnu regulaciju.

6.2.5. Tipovi inhibicije u centralnom nervnom sistemu

Prethodno opisani primeri organizacije sinaptičkih kontakata podrazumevali su ekscitatorne sinaptičke kontakte. Međutim za funkcionisanje centralnog nervnog sistema neophodno je prisustvo inhibitornih sinapsi. Koordiniranost reakcija i akcija organizma zavisi od usklađenosti eskcitatornih i inhibitornih impulsa. Na zajedničkom finalnom putu neprekidno se sustiču antagonistički uticaji ekscitatornih i inhibitornih dejstava periferne i centralne aktivacije, što rezultira odgovarajućom prostornom i vremenskom koordinacijom aktivnosti organizma.

Istraživanja centralnog nervnog sistema različitih životinja utvrdila su postojanje tri tipa centralne inhibicije: direktne inhibicije, presinaptičke inhibicije

i inhibicije negativnom povratnom spregom (Sl. 82). Direktnu inhibiciju ostvaruju interneuroni koji kao neurotransmiter sintetišu glicin ili γ-amino buternu kiselinu. Intereuroni sa glicinom prisutni su u kičmenoj moždini, nose naziv Goldži interneuroni, a ostvaruju sinaptički kontakt sa motoneuronima. U mozgu je kao inhibitorni neurotransmiter prisutnija GABA. Detalji funkcionisanja inhibitornih sinapsi opisani su u poglavlju 4. Presinaptička inhibicija ostvaruje se akso-aksonskom sinapsom (videti poglavlje 4). Inhibiciju negativnom povratnom spregom (rekurentna inhibicija) ostvaruju motoneuroni. Kao što je prikazano na sl. 82, pojedini motoneuroni u sivoj masi kičmene moždine imaju aksone koji se granaju. Neke od aksonskih kolaterala ostvaruju ekscitatornu sinapsu sa inhibitornim interneuronom, Renšovim (Renshaw) interneuronom koji ostvaruje sinaptički kontakt sa motoneuronom koji ga aktivira. Na taj način motoneuron negativnom povratnom spregom kontroliše sopstvenu aktivnost i smanjuje je. Predpostavlja se da je to način modulacije ekscitabilnosti motoneurona.

Sl. 80. Paralelne veze (a) i reverberacija (b). Objašnjenje u tekstu.

Sl. 81. Spontana aktivnost centralnih neurona. Frekvenca se menja dejstvom ekscitatornih odnosno inhibitornih impulsa koji stižu

presinaptičkim neuronima.

Sl. 82. Centralna inhibicija

10 10

6.3. Refleksi: klasifikacija

Refleksi se mogu klasifikovati u odnosu na lokaciju centra integracije, prema broju sinapsi, prema vrsti receptora, prema vrsti efektora, kao i momentu javljanja u životu jedinke.

Prema mestu sinaptičke transmisije između aferentnog i eferentnog somatskog neurona, razlikuju se: spinalni, bulbarni, mezencefalični, diencefalični i kortikalni refleksi. Primeri pojedinih refleksa integrisanih na različitim nivoima CNS biće obrađeni u poglavlju 11. Treba naglasiti, da su refleksi integrisani u nižim delovima CNS pod uplivom viših centara, ali i da aferentni putevi iz kičmene moždine mogu da utiču na aktivnost različitih delova mozga. Što je životinja na višem evolutivnom stupnju, to su uticaji viših centara na niže delove CNS jače izraženi (proces označen kao encefalizacija).

Prema broju sinapsi refleksi se dele na monosinaptičke i polisinaptičke reflekse. Monosinaptički refleksi imaju samo jednu sinapsu u kojoj se senzitivni neuron direktno prekopčava na motorni neuron. Kod čoveka oko 7% od ukupnih refleksa integrisanih u kičmenoj moždini jesu monosinaptički refleksi, dok je kod mačke taj broj nešto veći, oko 10%. U pitanju je refleks na istezanje, ili miotatički refleks (videti kasnije).

Prema vrsti receptora, dele se na eksteroreceptivne, interoreceptivne i proprioreceptivne, tj. kutane, tetivne, vaskularne i druge.

Prema vrsti efektora, refleksi se dele na somatske i autonomne, u zavisnosti da li su efektori skeletni mišići ili viscelarna muskulatura unutrašnjih organa.

Prema momentu javljanja u životu, refleksi se dele na urođene i stečene, odnosno bezuslovne i uslovne. Primeri

uslovnih refleksa biće obrađeni u poglavlju 16 u okviru učenja.

6.4. Monosinaptički refleksi: refleks na istezanje

Kada se skeletni mišić istegne, on se kontrahuje. Ovaj odgovor zove se ref leks na istezanje (Sl. 83 a). Stimulus koji izaziva ovaj ref leks je istezanje, a odgovor je kontrakcija mišića koji je bio istegnut. Receptor koji reaguje na istezanje nalazi se u sklopu mišića i nosi naziv mišićno vreteno. Brza senzitivna Aα-vlakna nose informaciju direktno u kičmenu moždinu ili jedra odgovarajućih kranijalnih živaca, gde se informacija uz pomoć neurotransmitera glutamata prenosi direktno na motoneuron. Ref leks na istezanje je najbolje objašnjen monosinaptički ref leks u organizmu.

Sl. 83. Refleks na istezanje (a) i obrnuti refleks na istezanje (b). objašnjenje u tekstu.

Patelarni refleks je primer refleksa na istezanje. Javlja se kontrakcija m. quadriceps femuris u odgovor na istezanje patelarne tetive koje prouzrokuje lak udarac po tetivi. Na osnovu centralnog zadržavanja (vreme koje je potrebno da prođe od momenta stimulacije do momenta

odgovora, tzv. reakciono ili refleksno vreme, umanjeno za period potreban za prostiranje akcionog potencijala duž aferentnog i eferentnog puta) može da se zaključi da je u pitanju monosinaptički refleks, jer posle kratke latence dolazi do kontrakcije mišića koji je istegnut.

6.4.1. Mišićno vreteno

Mišićno vreteno je mehanoreceptor i proprioreceptor. Sastoji se od 2-10 intrafuzalnih vlakana, okruženih kapsulom od vezivnog tkiva koja je ispunjena limfom. Intrafuzalna vlakna su miogenog porekla. Izgubila su poprečnu prugavost a kontraktilnost su zadržali samo krajevi vlakana. Intrafuzalna vlakna su postavljena paralelno sa ekstrafuzalnim (naziv za mišićna vlakna). Postoje dve vrste intrafuzalnih vlakana: vlakna sa jedrima u vreći (vrećasta intrafuzalna vlakna) i vlakna sa jedrima u lancu (lančasta intrafuzalna vlakna). U okviru jednog mišićnog vretena nalazi se 2 vrećasta i 5-6 lančastih intrafuzalnih vlakana. Završeci Aα-senzitivnog neurona omotavaju se oko vrećastih i lančastih intrafuzalnih lanaca i formiraju primarne anulospiralne završetke. Senzitivni neuron se grana i jedna grana inerviše jedno vrećasto vlakno, a druga drugo vrećasto i sva lančasta vlakna. Aβ-senzitivna vlakna formiraju na lančastim intrafuzalnim vlaknima sekundarne kitičaste završetke. Krajevi intrafuzalnih vlakana inervisana su g-eferentnim motoneuronima: γ1-vlakna inervišu vrećasta intrafuzalna vlakna, a γ2-eferentna vlakna inervišu lančasta intrafuzalna vlakna (Sl. 84). Kada se mišićno vreteno isteže, primarni završeci se deformišu i nastaje generatorski potencijal koji, ukoliko se dostigne tačka okidanja na prvom Ranvijerovom čvoru, izaziva genezu akcionog potencijala u senzitivnim vlaknima (frekvenca akcionog potencijala proporcionalna je istezanju).

Mišićno vreteno registruje početak istezanja, brzinu promene i trajanje istezanja, odnosno pokazuje dinamičan i statičan odgovor. Prema jednoj teoriji, za dinamičan

odgovor (registrovanje početka istezanja i brzine istezanja) odgovorni su anulospiralni završeci koji se brzo adaptiraju, a za statičan odgovor (trajanje istezanja) odgovorni su sekundarni kitičasti završeci. Prema drugoj teoriji, primarni anulospiralni završeci na vrećastim vlaknima daju dinamičan, a isti ti završeci sa lančastih vlakana, daju statičan odgovor. Kitičasti završeci bi, prema ovoj teoriji, bili uključeni u druge, polisinaptičke reflekse koji dovode do kontrakcije mišića.

6.4.2. Gama-eferentno odašiljanje

Gama-eferentni motonuroni kontrolisani su silaznim putevima iz brojnih područja mozga. Gama-eferentno odašiljanje izaziva skraćenje krajeva intrafuzalnih vlakana što povećava istezanje središnjeg dela oko koga su obavijeni primarni anulospiralni završeci. To dovodi do deformacije središnjeg dela, a time i membrane primarnih završetaka. Zbog toga se smanjuje prag nadražaja anulospiralnih završetaka i oni reaguju na manje istezanje pojavom generatorskog potencijala veće amplitude u odnosu na onu koja bi se dobila da nema γ-eferentnog odašiljanja. Dinamička γ1-eferentna vlakna povećavaju osetljivost na brzinu kojom se vretena istežu jer smanjuju prag nadražaja vrećastih vlakana. S druge

Sl. 84. Mišićno vreteno. Objašnjenje u tekstu.

10 10

strane, statička γ2-eferentna vlakna povećavaju osetljivost na istezanje koje traje. Različiti faktori mogu da utiču na γ-eferentno odašiljanje. Na primer, strah ili anksioznost izaziva pojačano odašiljanje γ-eferentnih vlakana. Time se objašnjava hiperaktivnost tetivnih refleksa kod anksioznih bolesnika.

6.4.3. Obrnuti refleks na istezanje

Ako se mišić isteže, on će se refleksno sve jače kontrahovati. No to ima svoju granicu; ukoliko jačina kontrakcije pređe određenu granicu, kontrakcija se naglo prekida i mišić se relaksira. Reakcija relaksacije na preveliko istezanje zove se obrnut refleks na istezanje, ili autogena inhibicija (Sl. 83 b). Receptor za ovaj refleks nalazi se u tetivama. To je Goldžijev tetivni organ, a predstavlja mrežastu skupinu nervnih završetaka brzo sprovodećeg Aβ-senzitivnog vlakna. Goldžijev organ postavljen je serijski u odnosu na mišićna vlakna, pa ga kontrakcija mišića stimuliše. Utvrđeno je da se Goldžijev tetivni organ ne aktivira značajnije pasivnim istezanjem, jer elastičnija mišićna vlakna preuzimaju veliki deo sile istezanja. Potreban je jak stimulus da bi se ovaj refleks izazvao. Refleksni luk obuhvata Goldžijev tetivni organ, Aβ-senzitivna vlakna koja ekscitiraju inhibitorne interneurone i motoneuron čija se aktivnost, dejstvom inhibitornog neurona, na taj način smanjuje. Prestanak kontrakcije mišića smanjuje istezanje tetiva, a samim tim i aktivaciju Goldžijevog tetivnog organa.

6.4.4. Mišićni tonus

Mišići u organizmu poseduju određen tonus koji je rezultat kontrakcije u odgovor na silu Zemljine teže koja isteže mišiće. Istezanje je stimulus za aktivnost refleksa na istezanje. Ekstenzori se kontrahuju i održavaju u stanju toničke kontrakcije. Kod životinja koje hodaju na četiri noge, ekstenzori su tzv. antigravitacioni mišići. Zahvaljujući kontrakciji ekstenzora zadnjih ekstremiteta

kao i leđnih i vratnih ekstenzora, održava se uspravan položaj tela.

6.5. Polisinaptički refleksi

Polisinaptički refleksi sadrže različit broj sinapsi od dve do nekoliko stotina. Primeri polisinaptičkih refleksa jesu spinalni refleksi. Oni mogu da se izazovu kod tzv. spinalne životinje kod koje je kičmena moždina odvojena od viših delova CNS. Nakon takve intervencije dolazi do pojave spinalnog šoka koji se karakteriše popunim odsustvom refleksne aktivnosti. Nakon određenog vremena refleksna aktivnost se ponovo uspostavlja. Ako se vrši stimulacija jedne receptorne zone, na primer, srednjeg prsta jednog od zadnjih ekstremiteta kod spinalne žabe stimulusima različitog intenziteta, mogu se dobiti sve veći refleksni odgovori životinje. Ti odgovori predstavljaju spinalne reflekse čiji se centri integracije nalaze u kičmenoj moždini. Ako se primenjuje mali intenzitet stimulusa, zapaža se da dolazi do fleksije malog prsta što se označava kao znak lokalizacije. To ukazuje na postojanje veza između određene grupe senzitivnih neurona koji preko interneurona aktiviraju motoneurone mišića na nadraženom prstu. Daljim povećanjem intenziteta stimulusa mogu da se izazovu refleks fleksije (r. uklanjanja), refleks ukrštene ekstenzije, refleks iradijacije, refleks generalizacije i refleks koordinacije.

6.5.1. Spinalni šok

Presecanje kičmene moždine kod svih kičmenjaka je praćeno pojavom spinalnog šoka. Tokom tog perioda MPM motoneurona u kičmenoj moždini je za 2-6 mV veći od normalnog. Kasnije se refleksne aktivnosti uspostavljaju i postaju prenaglašene. Trajanje spinalnog šoka zavisi od stepena encefalizacije motornih funkcija kod date životinjske vrste. Kod žabe traje nekoliko

minuta, kod psa i mačke 1-2 sata, majmuna nekoliko dana, a kod čoveka najmanje dve nedelje.

Uzrok spinalnog šoka nije u potpunosti određen. Ukidanje facilitatornih impulsa iz viših delova CNS koji stižu na spinalne neurone svakako ima određenu ulogu, ali kasnije uspostavljanje refleksnih reakcija i njihova hiperaktivnost nisu objašnjeni. Oporavak refleksnih reakcija mogao bi da bude rezultat denervacione hipersenzitivnosti na neurotransmitere koji se oslobađaju iz ekscitatornih završetaka. Druga mogućnost je povećanje broja kolaterala iz postojećih neurona i formiranje dodatnih ekscitatornih sinapsi na interneurone i motoneurone.

Prvi refleksni odgovor posle spinalnog šoka kod čoveka je slaba kontrakcija fleksora noge u odgovor na bolne stimuluse. Kod nekih osoba javlja se patelarni refleks kao prvi. Kod hroničnih spinalnih životinja i ljudi sa povredom kičmene moždine, uspostavljanje refleksnih reakcija praćeno je postepenim smanjivanjem praga nadražaja. Javljaju se pozitivna i negativna reakcija podupiranja (videti u poglavlju 11). Refleks Babinskog je jedan od prvih znakova refleksne aktivnosti. Naime, ako se dodirne taban, palac će se opružiti, a neće se saviti na dole kao kod osobe sa nepovređenom kičmom. To ukazuje na odsustvo kontrole kičmene moždine iz viših moždanih centara. Javljaju se takođe i autonomni refleksi: refleks pražnjenja mokraćnog mehura, rektuma, napadi znojenja, bledilo kože. Kod spinalnih životinja (i ljudi) slab bolni stimulus može da izazove masovni refleks – javlja se ne samo refleks uklanjanja, nego i mnogi od napred navedenih autonomnih refleksa. To je posledica širenja informacije od jednog do drugog refleksnog centra.

6.5.2. Refleks izbegavanja, refleks fleksije

Pri bolnoj, nociceptivnoj, stimulaciji kože na ekstremitetu dolazi do naglog povlačenja tog ekstremiteta. Ovaj refleks ima veliki značaj za organizam, jer uklanja ekstremitet

od potencijalno opasnog stimulusa. Na osnovu merenja refleksnog vremena može da se zaključi da je u pitanju polisinaptički refleks (Sl. 85). Fleksija ekstremiteta rezultat je kontrakcije mišića fleksora (mišići koji su povezani za kosti tako da njihovom kontrakcijom dolazi do savijanja ekstremiteta, za razliku od mišića ekstenzora čijom kontrakcijom dolazi do opružanja ekstremiteta). Bližom analizom ovog refleksa uočava se da se, u uslovima normalnog odvijanja ovog refleksa, druga grupa mišića tog ekstremiteta, vezana za istu kost, nalazi u stanju relaksacije (mišići ekstenzori). Šerington (Sherrington) je konstatovao da postoji korelacija izmedju snage kontrakcije fleksora i stepena relaksacije ekstenzora. Pri maksimalnoj kontrakciji fleksora, ekstenzori su potpuno relaksirani, a ako se aktivira manji broj motornih jedinica fleksora, onda će se relaksirati i adekvatan broj ekstenzornih jedinica. Znači, pri odvijanju refleksa fleksije, ekstenzori imaju funkciju antagonista u odnosu na fleksorne mišiće, koji su sinergisti u ovom refleksu (mišići fleksori koji se u datom reflkeksu angažuju označeni su kao sinergisti). Ovakva suprotna reakcija mišića fleksora i ekstenzora ostvaruje se recipročnom inervacijom. Princip recipročne inervacije podrazumeva da aktivacija senzitivnih neurona dovodi do ekscitacije motoneurona mišića protagoniste (u ovom slučaju fleksora), a istovremeno, preko ekscitacije inhibitornih interneurona, do inhibicije motoneurona antagonističkog mišića.

Sl. 85. Refleks fleksije. objašnjenje u tekstu.

10 10

6.5.3. Refleks ukrštene ekstenzije

Ako se primeni stimulus većeg intenziteta, nervni impuls će se sa senzitivnog neurona u kičmenoj moždini raširiti preko interneurona i na motorne neurone koji inervišu simetrične mišiće ekstremiteta sa druge strane, pa će se istovremeno registrovati fleksija ipsilateralnog ekstremiteta i ekstenzija kontralateralnog ekstremiteta (Sl. 86). Ipsilateralan ekstremitet se nalazi na strani na kojoj je informacija primljena, a kontralateralan ekstremitet se nalazi na suprotnoj strani. U refleks ukrštene ekstenzija je uključen deo prethodno opisanog refleksa uklanjanja (fleksija ipsilateralnog ekstremiteta-fleksor se kontrahuje, a kontrakcija ekstenzora je inhibisana tj. on se relaksira), dok su efekti recipročne inervacije na motoneuronima, odnosno mišićima kontralateralnog ekstremiteta, dijametralno suprotni (ekstenzor se kontrahuje, a fleksor relaksira). Ovaj refleks koordinira pokrete zadnjih ili prednjih ekstremiteta pri hodanju. Odgovarajućom stimulacijom može da dođe i do fleksije oba zadnja ekstremiteta, što znači da dolazi do istovremene kontrakcije fleksora, a relaksacije ekstenzora oba ekstremiteta. Ovakva refleksna radnja je refleks simetrije i javlja se pri galopu.

Sl. 86. Refleks ukrštene ekstenzije. Objašnjenje u tekstu.

6.5.4. Refleks iradijacije

Dalje povećanje intenziteta stimulusa izaziva širenje (iradijaciju) nervnog impulsa duž više nivoa kičmene moždine. Informacija se preko propriospinalnih vlakana širi duž nekoliko nivoa kičmene moždine tako da u odgovoru učestvuju i prednji ekstremiteti, tj. i zadnji i prednji ekstremiteti se naizmenično savijaju. Javlja se refleks ukrštene ekstenzije zadnjih ekstremiteta, a isti refleks se registruje i na prednjim ekstremitetima, ali su pokreti prednjih ekstremiteta suprotni u odnosu na zadnje. Naime, registruje se istovremeno fleksija ipsilatelarnog, a ekstenzija kontralatelarnog zadnjeg ekstremiteta i ekstenzija ispilatelarnog, a fleksija kontralatelarnog prednjeg ekstremiteta.

6.5.5. Refleks generalizacije i refleks koordinacije

Daljim povećanjem intenziteta stimulusa izaziva se motorna reakcija cele životinje što predstavlja refleks generalizacije.Refleks koordinacije kod spinalne žabe može da se dobije, ukoliko se vrši bolna stimulacija kože na leđima ili grudnom delu. U prvom slučaju, javiće se precizna motorna reakcija zadnjih ekstremiteta čiji prsti pokušavaju da uklone uzrok bola. U drugom slučaju, kada se stimuliše koža na grudnom delu toraksa, biće pokrenuta motorna reakcija prednjih ekstremiteta. Ukoliko se bolna stimulacija vrši malim parčetom filter hartije natopljene u neku jaku kiselinu, spinalna žaba će vrlo efikasno da otkloni uzrok bola.

6.6. Fenomen odskoka

Višestruko ponavljanje refleksnih reakcija efektora, odvija se određenim redosledom. Na osnovu proučavanja refleksnih reakcija, Šerington je smatrao da su motoneuroni (ili centralni neuroni) koji su u datom trenutku aktivni, u sledećem trenutku podložniji inhibiciji i obrnuto. Drugim

rečima, neposredno po završetku neke refleksne aktivnosti, mnogo lakše je izazvati aktivaciju mišića antagonista, no aktivaciju istog tipa mišića. To je označeno kao odskok, a rezultat je recipročne inervacije. Na primer, ako se javi refleks fleksije na datom ekstremitetu, onda će tokom sledećih nekoliko sekundi biti lakše izazvati na tom ekstremitetu refleks ukrštene ekstenzije, nego ponovo fleksije. To je jedan od mehanizama koji omogućava da se pri hodanju izvode ritmički pokreti.

6.7. Centralni program i ritmička aktivacija ekstremiteta

Smatra se da ritmička smena kontrakcije mišića od kojih zavisi hodanje i drugi oblici sličnog ponašanja (plivanje, češanje) zavise od aktivacije serije neurona u sastavu određenih neuronskih mreža koje su genetski programirane i nazivaju se «centralni program». Aktivnost ovih mreža relativno je nezavisna od informacija iz receptora. U datom trenutku informacije iz receptora deluju kao okidač koji započne aktivaciju neuronske mreže, a zatim neuroni centralnog programa po određenom redosledu aktiviraju ili inhibišu motoneurone. Jednom započet obrazac neuronske aktivnosti odvija se do kraja bez obzira na priliv senzornih informacija. Neuroni na osnovu kojih se odvija elementarni program hodanja locirani su u kičmenoj moždini.

10 10

7Poglavlje 7.

RECEPTORI U KOŽI

Somatski senzorni sistem obuhvata prenos i obradu informacija iz eksteroreceptora u koži i proprioreceptora. Uključeno je četiri vrste modaliteta: dodir, proprioreceptorni osećaji izazvani mehaničkim promenama u položaju mišića i zglobova, bol, kao i toplo i hladno. Za sve ove modalitete, receptori su završeci senzitivnog neurona, slobodni ili učaureni.

Senzorni neuroni predstavljaju neurone I reda koji u kičmenoj moždini ostvaruju sinapse sa neuronima II reda čiji aksoni formiraju ushodni put do talamusa. Talamus predstavlja glavni relej senzornih puteva gde se ostvaruje sinapsa sa neuronima III reda koji odlaze u određenu zonu senzornog korteksa. Neuroni II i III reda predstavljaju centralne neurone. U nekim ushodnim putevima može da postoji i više od tri neurona. Senzorni neuron, kao i centralni neuroni imaju svoje receptorno polje. Na primer, deo kože u kome se završavaju završeci jednog senzitivnog neurona čiji krajevi formiraju mehanoreceptore, kao i deo kože sa koje mehanički stimulusi mogu da aktiviraju te

receptore, predstavlja receptorno polje tog senzitivnog neurona (Sl. 87). Centralni neuroni imaju veće i kompleksnije receptorno polje, jer na njih konvergira

Sl. 87. Receptorno polje neurona I i II reda. Objašnjenje u tekstu.

Beleške

110 111

određen broj neurona prethodnog reda. Receptorno polje neurona višeg reda može da ima ekscitatorne i inhibitorne regione (Sl. 87). Inhibitorne komponente su rezultat uključenja inhibitornih interneurona između senzornog i centralnih neurona. To je važan mehanizam za povećanje kontrasta između stimulusa što omogućava bolju prostornu rezoluciju (bolje prostorno razdvajanje). Primer dejstva inhibitorne komponente receptornog polja centralnog neurona jeste tzv. prag za dve tačke. To je minimalna udaljenost koja mora da razdvaja dva dodira da bi se osetili kao razdvojeni. On zavisi od dodira i kortikalne komponente za identifikaciju jednog ili dva stimulusa. Veličina zavisi od mesta na telu. Na jagodici prsta minimalni razmak dva stimulusa je 2 mm, na unutrašnjem delu ruke – 3 cm, a na leđima – 7 cm.

7.1. Mehanoreceptori, receptori za bol, termoreceptori

Kod čoveka se razlikuju dva tipa kože: bez dlaka, kao što su dlanovi i jagodice prstiju, i sa dlakama. U njoj su prisutni mehanoreceptori: Merkelove ploče, Pačinijeva telašca, Rufinijevi završeci, nervni završeci oko folikula dlaka, Majsnerova telašca (nalaze se samo u koži bez dlaka); termoreceptori - slobodni nervni završeci; nociceptori - slobodni nervni završeci.

Mehanoreceptori. Majsnerova telašca su fazni receptori, imaju malo receptorno polje, daju osećaj finih taktilnih stimulacija i omogućavaju prostornu diskriminaciju. Pačinijeva telašca su fazni receptori, ali imaju veliko receptorno polje, aktiviraju ih dodir i vibracije. Merkelove ploče i Rufinijevi završeci su sporo-adaptirajući receptori. Informacije iz mehanoreceptora prenose se Aβ (30-70 m/sek), Aδ (12-30 m/sek) mijeliziranim vlaknima, a mogu i C nemijeliziranim vlaknima (0.5-2 m/sek).

Sl. 88. Ushodni putevi. Objašnjenje u tekstu.

Vlakna koja prenose informaciju finog dodira (detaljna lokalizacija, prostorni oblik i vremenski obrazac taktilnih stimulusa), pritiska, i proprioreceptorne senzacije, ulaze u kičmenu moždinu i penju se istom stranom, odnosno neukršteni, dorzalnim stubovima do produžene moždine. Ova vlakna formiraju dva puta, tj. dva ushodna snopa: fasciculus gracilis i fasciculus cuneatus, odnosno Golov (Goll) i Burdahov (Burdach) snop (Sl. 88). U produženoj moždini ovi neuroni I reda završavaju se u odgovarajućim nukleusima gde se nalazi sinaptički relej. Tu se vrši

prekopčavanje na neurone II reda koji prelaze medijalnu liniju (ukrštaju se) i penju se medijalnim lemniskusom (lemniscus medialis) do specifičnih senzornih nukleusa talamusa. Tu se vrši prekopčavanje na neurone III reda koji se završavaju u primarnom senzornom korteksu u postcentralnom girusu. Vlakna Golovog i Burdahovog snopa su filogenetski nove strukture, i ne postoje kod riba. Razaranje ovih snopova dovodi do gubitka kinestetičkih senzacija, odnosno informacija o kretanju i položaju tela, naročito udova. Takođe od ova dva snopa zavisi prostorna diskriminacija taktilnih stimulusa.

Pored Golovog i Burdahovog snopa, informacije o dodiru i pritisku, prenose se i ventralnim spinotalamičkim traktom (Sl. 88). Senzitivna vlakna ulaze u kičmenu moždinu i po ulasku stubove sive mase granaju se i jedna kolaterala uključuje se u refleksni luk, a druga se prekopčava na neurone II reda koji se ukrštaju i formiraju ventralni spinotalamički trakt. Po izlasku iz kičmene moždine, pridružuju se ushodnim vlaknima medijalnog lemniskusa i završavaju se u odgovarajućim nukleusima talamusa. Tu se prekopčavaju na neurone III reda koji se projektuju u somatosenzorne zone postcentralnog girusa.

Kortikalna prezentacija pojedinih delova tela na postcentralnom girusu je odraz gustine receptora u koži na pojedinim delovima tela (Sl. 89).

Receptori za bol, nociceptori, su slobodni nervni završeci, i sreću se u svim tkivima. Nociceptori mogu da budu aktivirani jakim mehaničkim stimulusima, toplotom, pri čemu je prag bola za toplotu temperatura iznad 45OC, kao i hemijskim stimulusima. Smatra se da bolni stimulusi dovode do oslobađanja nekog hemijskog medijatora koji prouzrokuje aktivaciju nociceptora. Kandidat za hemijskog medijatora je ATP koji aktivira P2X ligand-zavisne jonske kanale. Takođe, ATP je prisutan u citoplazmatičnom tkivu koje izaziva bol, a ubrizgan

intradermalno izaziva osećaj bola. Postoje dve vrste bola: prvi, brzi bol, i drugi, spori bol. Naime, bolni stimulus izaziva brzo nakon stimulacije oštar lokalizovan osećaj, koji je praćen tupim, intenzivnim, difuznim osećajem. Vremenska razdvojenost ova dva osećaja povećava se sa udaljenošću mesta stimulacije od korteksa. Brza bol prenosi se Aδ vlaknima, a spora C nemijeliziranim vlaknima.

Termalni receptori su, takođe, slobodni nervni završeci senzitivnog neurona. Osetljivost na temperaturu je tačkasto raspoređena, jer u koži postoji precizan raspored tačaka za receptore za hladno i toplo. Prag nadražaja na tim tačkama je mnogo niži no na okolnim delovima kože. Ima 4-10 puta više tačaka za hladno nego za toplo. Receptori za hladno maskimalno reaguju na temperature niže od telesne normalne temperature, a frekvenca odašiljanja impulsa raste sa padom temperature. Receptori za toplo reaguju na temperature veće od temperature tela pa do 45OC. U rasponu izmedju 20-40OC postoji adaptacija receptora, naime osećaj izazvan promenom temperature postepeno slabi. Termoreceptori su lokalizovani u podkožnom ktivu, pa temperatura potkožnog tkiva određuje odgovor receptora. Na primer,

Sl. 89. Senzorni i motorni homunkulus.

11 11

hladne metalne predmete osećamo hladnijim od drvenih iste temeprature, jer metal brže odvodi toplotu iz kože, pa brže hladi potkožno tkivo. Osećaj hladnog prenose Aδ vlakna, a osećaj toplog C nemijelizirana vlakna.

Osećaj bola i temperature prenosi lateralni spinotalamički trakt. Senzitivna vlakna, po ulasku u dorzalne stubove sive mase granaju se i jedna kolaterala uključuje se u refleksni luk, a druga se prekopčava na neurone drugog reda, koji se ukrštaju i formiraju lateralni spinotalamički trakt. Napustivši kičmenu moždinu nervna vlakna se projektuju prema gore: manji deo vlakana se završava u talamusu, a veći deo u retikularnoj formaciji moždanog stabla na različitim mestima. To omogućava da se na nociceptivne informacije odgovori različitim vidovima ponašanja i pre nego što signal stigne do senzornog korteksa. Ovo je od značaja za odbranu organizma od potencijalne opasnosti koju nosi bolna stimulacija.

Modifikacija osećaja bola. Iz svakodnevnog života znamo da osećaj bola zavisi od emotivnog stanja i kognitivnih faktora ( kognitivnih – saznajnih). Jedan od načina kontrole je centralna eferentna kontrola senzorne transmisije osećaja bola. To znači da viši centri kontrolišu tok informacije od receptora do sinaptičkog releja. Iz mezencefalona iz nukleusa rafe polaze nishodna serotonergička vlakna koja se završavaju na neuronima u sivoj masi kičmene moždine. Stimulacija ovog dela mozga dovodi do anelgezije. Eferentni serotonergički neuroni ostvaruju sinaptički kontakt sa enkefalinskim interneuronima koje aktiviraju. Aktivirani interneuroni akso-aksonskom sinapsom inhibišu oslobađanje neurotransmitera, supstance P, iz senzitivnog neurona koji prenosi informaciju o bolu. Takođe, ovi interneuroni inhibišu i neuron II reda. Drugim rečima, ovi interneuroni deluju i na presinaptičku i postsinaptičku membranu.

7.2. Proprioreceptori, ushodni putevi

Receptori smešteni u koži informišu organizam o svetu oko njega. Proprioreceptori informišu o stanju i položaju mišića, ekstremiteta, zglobova. Precizna kontrola pokreta je od izvanrednog značaja (zamislimo pokrete balerine). Propriocepcija predstavlja senzorne ulaze iz mišićno-skeletnog sistema: mišića, tetiva, zglobova. Receptori su

mišićna vretena i Goldžijev tetivni organ u mišićima, a u zglobovima receptori slični Pačinijevom telašcu, Goldžijevom tetivnom organu, Rufinijevim završecima, kao i slobodni nervni završeci. Kinestezija znači osećaj položaja i pokreta udova. U tome sem proprioreceptora učestvuju i kožni receptori. Postoji razlika u ushodnim putevima ukoliko senzitivna vlakna dolaze iz zadnjih odnosno prednjih ekstremiteta. Vlakna iz prednjih ekstremiteta po ulazu u kičmenu moždinu se granaju i jedna grana učestvuje u refleksnom luku, a druga se penje dorzalnom stranom do nukleusa kuneatusa, gde se prekopčavaju i ukrštaju, a zatim pridružuju medijalnom

lemniskusu koji se projektuje u nukleuse talamusa. Odatle neuroni III reda idu u korteks. Vlakna iz zadnjih ekstremiteta ulaze u kičmenu moždinu, granaju se i jedna grana učestvuje u formiranju refleksnog luka. Druga grana se prekopčava na neurone II reda u sklopu jedara tzv. Klarkovih stubova čiji aksoni neukršteni formiraju u dorzalnom delu bele mase spinocerebelarni trakt (Sl. 90). Ova vlakna u nivou produžene moždine daju kolaterale koje se u odgovarajućim nukleusima prekopčavaju i nakon ukrštanja idu do talamusa u sklopu medijalnog lemniskusa. Odatle se projektuju do korteksa. Drugi deo ide direktno do cerebeluma gde se završava u različitim delovima malog mozga.

Sl. 90. Klarkovi stubovi i spinocerebelarni trakt. Objašnjenje u tekstu.

11 11

8Poglavlje 8.

ČULO VIDA

Oči su kompleksni čulni organi. Sadrže fotoreceptore, sočivo koje fokusira svetlost na receptore, i ganglijske ćelije čiji aksoni formiraju očne nerve koji prenose informaciju u mozak. Struktura oka prikazana je na Sl. 91. Spoljni zaštitni sloj je sklera ili beonjača koja napred prelazi u prozirnu korneu, rožnjaču. Središnji sloj je horoidea, sudovnjača, pigmentisani sloj bogat krvnim sudovima, koji se nastavlja u cilijarno telo koje sadrži kružne i uzdužne mišiće. Za cilijarno telo su vezani ligamenti koji drže sočivo. Dve trećine sudovnjače prekriva mrežnjača, retina, koja sadrži fotoreceptore, štapiće i čepiće. Ispred sočiva je iris, dužica, obojeni deo oka sa centralnim otvorom, zenicom. Iris sadrži kružne mišiće koji su inervisani parasimpatičkom komponentom, i radijalne mišiće koji su inervisani simpatičkom komponentom VNS. Aktivnost parasimpatičke komponente i kontrakcija kružnih mišića rezultira smanjenjem promera zenice, dok aktivnost simpatičke komponente i kontrakcija radijalnih mišića dovodi do povećanja promera zenice. Variranje dijametra zenice može petostruko da promeni količinu svetlosti koja ulazi u oko. Prednja očna komora sadrži prozirnu tečnost koja

nastaje u cilijarnom telu difuzijom i aktivnim transportom iz krvne plazme. Teče kroz zenicu i puni prednju očnu komoru. Resorbuje se kroz mrežu trabekula u Šlemov kanal, venski kanal na spoju između dužice i rožnjače. Začepljenje kanala dovodi do povećanja intraokularnog pritiska. Iza zenice se nalazi zadnja očna komora, a prostor između sočiva i mrežnjače ispunjen je staklastim telom.

Sl. 91. Šematski prikaz horizontalnog preseka oka. Objašnjenje u tekstu.

Beleške

11 11

8.1. Organizacija retine, nervni putevi

Retina se sastoji od fotoreceptora: štapića i čepića, koji su u sinaptičkom kontaktu sa bipolarnim ćelijama, a one su u kontaktu sa ganglijskim ćelijama. Horizontalne ćelije povezuju receptorne ćelije, dok su amakrine ćelije u kontaktu i sa bipolarnim i sa ganglijskim ćelijama. U retini ima 1-4 miliona čepića i 120 miliona štapića. Ganglijskih ćelija ima 1,2 miliona, što znači da u oku postoji konvergencija oko 100 fotoreceptora na jednu ganglijsku ćeliju. U žutoj mrlji, ili fovea centralis, retina je istanjena, sadrži samo jedan sloj čepića, nema konvergencije prema bipolarnim i ganglijskim ćelijama (Sl. 92). Postoji i slepa mrlja, to je mesto gde izlazi očni živac, a ulaze krvni sudovi i tu nema fotoreceptora.

Sl. 92. Detalji retine u fovei. Objašnjenje u tekstu.

Štapići imaju mali prag nadražaja, predstavljaju receptore za gledanje noću (tzv. skotopski vid). Ne mogu da razdvoje detalje i granice predmeta i boju. Čepići imaju veći prag nadražaja, veću oštrinu, odgovorni su za gledanje pri jakom svetlu (tzv. fotopski vid) i za gledanje boja. To je tzv. dvojna teorija prema kojoj iz oka postoje dve vrste ulaza u CNS: ulaz iz štapića i ulaz iz čepića, i svaki radi maksimalno pod različitim uslovima.

Svetlost koja ulazi u oko može da dolazi iz binokularne zone (vidno polje koje vidimo sa oba oka), ili iz desne, odnosno leve monookularne zone (Sl. 93). Desno i levo vidno polje predstavljaju odgovarajuće delove binokularne zone. Iz binokularne zone, svetlost ide u oba oka. Na retini se razlikuju temporalna hemiretina i nazalna hemiretina, odnosno deo koji je bliži slepoočnici, i deo koji je bliži nosu. Kada svetlosni zrak dolazi iz desnog vidnog polja on pada na nazalnu hemiretinu desnog oka i temporalnu hemiretinu levog oka. Aktiviraju se fotoreceptori u tom delu retine koji informaciju preko bipolarnih ćelija predaju ganglijskim ćelijama. Aksoni ganglijskih ćelija formiraju očne živce, jedan iz desnog a drugi iz levog oka. U nivou optičke hijazme dolazi do ukrštanja dela aksona optičkih živaca. Ukrštaju se oni aksoni koji su u kontaktu sa fotoreceptorima u nazalnoj hemiretini oba oka, dok se aksoni ganglijskih ćelija koje su u kontaktu sa

fotoreceptorima iz temporalne hemiretine ne ukrštaju. Na taj način se formiraju levi i desni optički trakt. Levi sadrži aksone koji nose informacije iz leve temporalne hemiretine i desne nazalne hemiretine (pogledati napred kako pada svetlost iz desnog dela vidnog polja), dok desni optički trakt sadrži aksone koji su u kontaktu sa fotoreceptorima iz leve nazalne hemiretine i desne temporalne hemiretine. To znači da levi optički trakt sadrži prezentaciju desne polovine vidnog polja, što znači da na početku analize vizuelnog događaja svaka hemisfera obrađuje slike iz suprotne polovine vidnog

polja. Aksoni ganglijskih ćelija dolaze u talamus gde se u bočnom kolenastom telu prekopčavaju na neurone čiji aksoni formiraju genikulokalkarini trakt koji nosi informaciju do neurona primarnog vidnog korteksa koji se nalazi na stranama fissure calcarine. U talamusu dolazi do divergencije 1:2, a u korteksu do divergencije 1:1000. U nivou optičke hijazme, ogranci aksona ganglijskih ćelija odlaze u određene zone mezencefalona (gornje kolikule) gde posreduju u vidnim refleksima, kao i u hipotalamus (u nukleus suprashijazmatikus, NSCH) gde posreduju u endokrinim i cirkadijalnim ritmovima.

Dioptrički aparat oka su: kornea, očna vodica, sočivo i staklasto telo. Ponoviti iz fizike principe optike i način prodiranja svetlosti u oko.

Akomodacija oka. Kada je cilijarni mišić relaksiran, paralelni zraci svetla koji padaju na oko sabiraju se na retini. Ako se posmatra neki bliži predmet, zraci sa tog predmeta sabiraju se u žarištu iza retine. Problem da

se divergentni zraci od predmeta koji su bliže od 6 m dovedu u žarište na retini može da se reši povećanjem zakrivljenosti sočiva, ili povećanjem rastojanja između sočiva i žarišta. U sisara je problem rešen povećanjem zakrivljenosti sočiva. Proces kojim se zakrivljenost sočiva povećava zove se akomodacija. U mirovanju, ligamenti sočiva drže sočivo napeto, i ono je spljošteno. Kada se pogled usmeri na bliski predmet, cilijarni mišić se kontrahuje, pa se ligamenti opuste i sočivo postane više konkavno. Kod mladih osoba prelomna moć sočiva može da se poveća za 12 dioptrija. Najbliža tačka oku sa koje jedan predmet može da se akomodacijom dovede u jasno žarište je tzv. najbliža tačka jasnog vida. Ona se udaljuje tokom života, prvo polako pa brzo; iznosi oko 9 cm u desetoj godini života, odnosno 83 cm u šezdesetoj godini života. Razlog je povećanje tvrdoće sočiva i nemogućnost akomodacije, tj. povećanja zakrivljenosti sočiva.

8.2. Mehanizam transdukcije u fotoreceptorima

Fotoreceptori u retini su štapići i čepići (Sl. 94). Imaju sličnu građu i sastoje se iz tri funkcionalna regiona: spoljašnjeg segmenta koji sadrži fotopigment, unutrašnjeg

Sl. 93. Nervni putevi. Objašnjenje u tekstu. slika 130.tif

Sl. 94. Šematski prikaz štapića i čepića.

11 11

segmenta koji sadrži jedro, mitohondrije i ostale metabolički aktivne delove ćelije i sinaptičku zonu sa vezikulama neurotransmitera glutamata. U spoljnom segmentu ćelije nalaze se modifikovane cilije građene od pravilnih kupa zaravljenih pločica (štapići), ili vrećica koje pravi membrana (čepići), a koje sadrže rodopsin, fotopigment (109 molekula rodopsina u spoljnom segmentu štapića). Plazma membrana u spoljašnjem segmentu sadrži cGMP-zavisne jonske kanale za Na+. U mraku, dve struje su dominantne u fotoreceptorima (Sl. 95). Ulazna Na+ struja kroz cGMP-zavisne kanale u spoljnom segmentu receptora i izlazna K+ struja kroz selektivne K+ kanale čije otvaranje nije kontrolisano. Izlazna struja teži da približi membranski potencijal vrednosti od -70 mV, ravnotežnom potencijalu za K+, dok ulazna Na+ struja teži da depolariše membranu i da membranski potencijal dovede na vrednost od oko-40 mV. U membrani unutrašnjeg segmenta postoji veliki broj Na+-K+ pumpi koje obezbeđuju da se intracelularne koncentracije Na+ i K+ održavaju na relativno konstantnim vrednostima uprkos postojanju ulazne i izlazne struje.

U mraku u citoplazmi postoji velika koncentracija cGMP i stoga je veliki broj cGMP-zavisnih kanala otvoren pa je ulazna Na+ struja dominantna. To je tzv. «tamna struja» koja drži membranski potencijal na oko -40 mV. Kada se fotoreceptor osvetli, zatvaranje cGMP-zavisnih kanala rezultira hiperpolarizacijom membrane. Jako svetlo može da izazove povećanje membranskoh potencijala za oko 30 mV, tj membrana se hiperpolariše na -70 mV. Svetlost umerenijeg intenziteta hiperpolarizuje membranu u intervalu između -40 i -70 mV.

Obzirom da je u mraku membrana depolarisana, vrši se oslobađanje neurotransmitera u sinapsi sa bipolarnim ćelijama. Dejstvom svetla na fotoreceptor, dolazi do pojave generatorskog potencijala, odnosno hiperpolarizacije membrane, što ima za posledice prekid oslobađanja neurotransmitera ili pak smanjeno oslobađanje, što zavisi

od stepena hiperpolarizacije membrane (između -40 do -70 mV).

Fototransdukcija se dešava u tri osnovna koraka (Sl. 96), od kojih svaki ima nekoliko etapa: (1) svetlo aktivira rodopsin; (2) aktivirani molekuli stimulišu enzim cGMP-fosfodiesterazu što vodi redukciji koncentracije cGMP; (3) smanjenje koncentracije cGMP zatvara cGMP-zavisne kanale i dolazi do hiperpolarizacije membrane.

Sl. 96. Mehanizam fototransdukcije: zatvaranje cGMP-zavisnih jonskih kanala za Na+ dejstvom svetlosti na rodopsin. Aktivacija transducina i fosfodiesteraze smanjuje koncentraciju cGMP u

fotoreceptorima.

Prvi korak, aktivacija rodopsina, dešava se na sledeći način. Rodopsin se sastoji od proteinskog dela, opsina, i fotosenzitivnog dela, retinala, koji svojim oblikom odgovara veznom mestu u opsinu. Retinal može da bude u nekoliko izomernih konfiguracija, od kojih su dve važne za ciklus viđenja: U neaktivnoj formi rodopsin sadrži 11-cis izomer retinala, dok se pod dejstvom svetlosti on transformiše u all-trans konfiguraciju. Kao rezultat ove promene, retinal više ne može da ostane u opsinu, te stoga opsin podleže konformacionim promenama i dolazi u semistabilnu konformaciju tzv. metarodopsin II, koji je odgovoran za iniciranje drugog koraka. Naime,

metarodopsin se razlaže na opsin i all-trans retinal. Ovaj drugi se zatim transportuje iz štapića u pigmentne epitelijalne ćelije gde se redukuje u all-trans retinol (vitamin A) prekursor za sinteztu 11-ciss retinala koji se transportuje nazad u štapiće. Čovek ne može da sintetiše vitamin A i stoga je on veoma bitan za proces viđenja. U retini primata svaki od tri vrste čepića sadrži pigment koji apsorbuje određeni deo vidljivog dela spektra. Pigment se sastoji od opsina i 11-cis retinala, pri čemu su opsini različite izoforme i svaka interaguje sa 11-cis retinalom na drugi način. To omogućava da svaka vrsta čepića bude osetljiva na određen deo vidljivog spektra.

Drugi korak je aktivacija cGMP fosfodiesteraze. To se dešava na sledeći način. Aktivirana molekula rodopsina difunduje unutar membrane diska i aktivira stotine molekula transducina, GTP-vezujućeg proteina. Aktivacija transducina, podrazumeva zamenu GDP sa GTP, što izaziva disocijaciju α-subjedinice koja aktivira cGMP fosfodiesterazu, a istovremeno se inaktiviše jer zahvaljujući GTP-aznoj aktivnosti, hidrolizuje vezani GTP na GDP i Pi. To je jedan od mehanizama koji prekida odgovor na dejstvo svetla. Drugi je fosforilacija aktiviranog rodopsina dejstvom opsin-kinaze. Fosforilisani opsin interaguje sa specifičnim regulatornim proteinom arestinom koji dovodi do njegove inaktivacije.

Treći korak je smanjenje koncentracije cGMP i zatvaranje jonskih kanala u spoljašnjem segmentu. Svaki kanal se kontroliše kooperativnim vezivanjem najmanje tri molekule cGMP. Hidroliza cGMP u 5'GMP smanjuje koncentraciju ovog intracelularnog glasnika što izaziva zatvaranje kanala i hiperpolarizaciju membrane.

Pored navedenih molekula i jona koji učestvuju u kontroli membranskog potencijala u fotoreceptorima, značajnu ulogu imaju i joni Ca2+. Naime, Ca2+ utiče na aktivnost nekoliko proteina koji učestvuju u fototransdukciji, a promene u intracelularnoj koncentraciji ovog jona

Sl. 95. Prikaz: (A) ulazne Na+-struje kroz cGMP-zavisne jonske kanale i izlazne K+-struje kroz pasivne jonske kanale. Na+-K+ pumpa održava intracelularnu koncentraciju Na+ i K+ na stacionarnim vrednostima; (B) Smanjenje intracelularne koncentracije cGMP zatvara cGMP-zavisne kanale iulazna Na+-struja se redukuje; (C) ulazna struja od 50 pA se blokira jakim svetlom, što izaziva hiperpolarizaciju membrane na -70 mV. Svetlost umerenog intenziteta hiperpolariše membranu u

opsegu od -40 mV do -70 mV.

10 11

značajne su za adaptaciju štapića na drastične promene u intenzitetu svetlosti, kada na primer iz mračne prostorije stupimo u blještavo osvetljeni prostor. U prvom momentu, svetlost nas zaslepi i treba nekoliko sekundi da bi se oči adaptirale. Takođe, ako iz svetle uđemo u tamnu prostoriju, treba neko vreme da se naviknemo na taj mrak. Tokom adaptacije na svetlo dolazi do sporog oporavka membranskog potencijala. Vrlo jako svetlo zatvara sve cGMP-zavisne kanale i potencijal se poveća na -70 mV. U tom stanju, štapić ne može više da reaguje na dalja povećanja intenziteta svetlosti. Ako se intenzitet svetla održava, štapići se sporo depolarišu na potencijal između -70 i -40 mV, i ponovo mogu da budu hiperpolarisani u odgovor na povećanje intenziteta osvetljenja – drugim rečima, blještavo svetlo nije više zaslepljujuće. To se dešava zbog desenzitivizacije receptora. Spor oporavak membranskog potencijala i desenzitivizacija receptora rezultat su sporog smanjenja intracelularne koncentracije jona Ca2+ u spoljašnjem segmentu štapića. U mraku, joni Ca2+ konstantno ulaze u spoljašnji segment kroz cGMP-zavisne kanale, i oko 1/7 ulazne struje odnosi se na jone Ca2+. Ca2+ joni se izbacuju napolje pomoću specijalnog nosača koji je smešten u membrani unutrašnjeg segmenta, tako da se koncentracija ovih jona drži konstantnom u spoljašnjem segmentu. Tokom produženog osvetljavanja, cGMP-zavisni kanali se zatvaraju, smanjuje se ulazak jona Ca2+, dok se izlazak ne smanjuje i to rezultira sporim smanjenjem intracelularne koncentracije Ca2+. Ca2+ inhibiše guanilil ciklazu (GC), enzim koji katališe sintezu cGMP. Znači, u mraku kada je koncentracija Ca2+ relativno velika, GC se drži u delimično inaktivnom stanju. Sporo smanjenje koncentracije Ca2+ tokom osvetljavanja umanjuje inhibitorni efekat na GC i sintetiše se više cGMP. To rezultira otvaranjem cGMP-zavisnih kanala i sporom depolarizacijom membrane štapića. Smatra se da smanjenje koncentracije Ca2+ ubrzava inaktivaciju rodopsina, pa je efekat svetla na aktivaciju cGMP fosfodiesteraze umanjen. Takođe se smanjuje osetljivost cGMP-zavisnih jonskih kanala na promene

u cGMP. Fenomen desenzitivizacije fotoreceptora nije još do kraja objašnjen.

8.2.1. Formiranje slike u retini

Slika koja se stvara u retini je obrnuta. To može da se ilustruje na tzv. redukovanom oku. Naime, u oku se svetlost prelama na prednjoj površini rožnjače i prednjoj i zadnjoj površini sočiva. Proces može da se uprosti, ako se prelamanje prikaže samo na prednjoj površini rožnjače, a to je redukovano oko. Slika na retini je obrnuta, ali se u vizuelnom korteksu stiče senzacija uspravne slike. Ova obrada informacije je urođena. To može da se ilustruje sledećim eksperimentom. Ukoliko se pomoću specifičnih sočiva, slika na retini uspravi, onda se stiče osećaj da su predmeti koje posmatramo postavljeni u obrnut položaj.

Sl.97. Šematski prikaz toka signala u retini pri formiranju slike. Objašnjenje u tekstu.

U retini se formiraju tri slike (Sl. 97). Prva se formira dejstvom svetla na fotoreceptore, druga se formira u bipolarnim ćelijama, pri čemu se signal menja dejstvom horizontalnih ćelija. Treća slika nastaje u ganglijsklim

ćelijama, pri čemu amakrine ćelije moduliraju signal ostvarujući sinaptički kontakt sa bipolarnim i ganglijskim ćelijama.

8.2.2. Obrada vizuelne informacije, bipolarne i ganglijske ćelije

Bipolarne i ganglijske ćelije (kao i ćelije u bočnom kolenastom telu) najbolje reaguju na kružno receptivno polje (centar-okolina). Druga karakteristika ovih ćelija jeste centar-okolina antagonizam, odnosno lateralna inhibicija. Naime, osvetljavanje okoline receptivnog polja inhibiše odgovor u centru polja.

Postoje dva tipa bipolarnih i ganglijskih ćelija, tzv. on-centar i off-centar ćelije (Sl. 98). Takve kategorije ćelija postoje i na nivou talamusa i vidnog korteksa. Kada svetlost deluje u centar polja, on-centar ćelije se dezinhibišu, jer se smanjuje (prekida) oslobadjanje neurotransmitera iz fotoreceptora, koji ih u mraku inhibiše. Nasuprot tome, off-centar ćelije koje su u mraku aktivne, postaju pri dejstvu svetla neaktivne, jer nema neurotransmitera. Dezinhibicija tj. uklanjanje blokade sa ekscitatornog elementa je bitna osobina organizacije nervnog sistema.

U čitanju kontrasta značajnu ulogu imaju horizontalne ćelije. One učestvuju u formiranju centar-okolina antagonizma, odnosno lateralnoj inhibiciji. Slika 98 ilustruje takvu situaciju. Kada svetlost deluje na centar, fotoreceptor 2 (okolina) oslobadja neurotransmiter, jer je u mraku. To aktivira horizontalnu ćeliju sa kojom je u sinaptičkom kontaktu. Horizontalna ćelija ostvaruje akso-aksonsku sinapsu sa fotoreceptorom u centru pri čemu je to presinaptička inhibicija, a to znači da smanjuje oslobadjanje neurotransmitera, jer vrši hiperpolarizaciju postsinaptičke membrane. Odnosno, potencira dejstvo svetla na centar. Kada se osvetli fotoreceptor 2 (svetlost deluje na okolinu), on generiše generatorski potencijal, pa

hiperpolarizacija smanjuje oslobadjanje neurotransmitera, ne dolazi do aktivacije horizontalne ćelije, pa ona ne inhibiše fotoreceptor 1, odnosno oslobadja se iz fotoreceptora 1 više neurotransmitera (efekat suprotan dejstvu svetla na centralni fotoreceptor 1). To dovodi do hiperpolarizacije on-centar bipolarne ćelije, antagonizujući efekat osvetljavanja na centar receptivnog polja.

8.2.3. Karakteristike neuronske organizacije retine

Odgovor fotoreceptora na svetlost je hiperpolarizacija (zbog zatvaranja Na+-kanala). Sinapse izmedju

Sl. 98. Dezinhibicija «on centar» bipolarnih ćelija (gornji deo slike) i lateralna inhibicija horizontalnih ćelija (donji deo slike). Objašnjenje

u tekstu.

1 1

fotoreceptora i bipolarnih ćelija su spontano aktivne, a male promene membranskog potencijala fotoreceptora (hiperpolarizacija) moduliraju ovu spontanu aktivnost. Isti neurotransmiter na bipolarne ćelije deluje različito – zbor različitih tipova receptora, inhibiše on-centar, a stimuliše off-centar ćelije.

Sve vrste ćelija u retini prenose informacije bez generisanja akcionog potencijala; obzirom da je rastojanje izmedju ulaznih (fotoreceptori) i izlaznih (ganglijskih) komponenti retine vrlo malo.

8.2.4. Prenos informacija od ganglijskih ćelija

Postoje tzv. parvicelularne (P) i magnocelularne (M) ganglijske ćelije. P ćelije su odgovorne za fine detalje u vizuelnom procesu i za boje, a M ćelije imaju veliko receptivno polje i pokazuju prolaznu aktivnost na stimulaciju, odgovorne su za početnu analizu slike i pokrete objekta koji gledamo. Putevi od retine do bočnog kolenastog tela organizovani su od on-centar i off-centar kanala, a svaki od njih sadrži P i M kanale; jedan za početnu analizu pokreta i grube strukture objekta (M), a drugi za detalje (P).

U bočnom kolenastom telu ima 6 definisanih slojeva: (a) slojevi 3, 4, 5, 6 sadrže male ćelije – parvicelularne, tu se projektuju P ganglijske ćelije, a (b) slojevi 1,2 čine velike ćelije – magnocelularne, tu se projektuju M ganglijske ćelije. Neuroni u talamusu imaju kružno receptivno polje i funkcionišu po tipu on-centar i off-centar ćelije. Ovakav način reagovanja dobija se i kod neurona u vidnom korteksu, odnosno neuroni u sastavu vidnog korteksa su spontano aktivni, kao i talamični neuroni, i reaguju na osvetljavanje centra svog receptivnog polja ekscitacijom, a na osvetljavanje okoline reaguju inhibicijom.

8.3. Kolorno vidjenje

Boja je osobina objekta. Medjutim, kolorno vidjenje nije registrovanje fizičkih parametara svetla reflektovanog sa objekta. To je proces u kome se analizira objekat u odnosu na njegovu okolinu. Boja objekta zavisi od boje okoline. Humano oko je osetljivo na talasne dužine od 400 do 700 nm. U ovom opsegu boja monohromatske svetlosti menja se od plave preko zelene do crvene.Boja ima tri svojstva: boju, intenzitet i zasićenje. Komplementarne boje - kada se pomešaju u odgovarajućoj srazmeri daju osećaj belog. Crno – osećaj kada nema svetla, ali to je verovatno pozitivan osećaj, jer slepo oko “ne vidi crno” nego “ne vidi ništa”.

Young-Helholtz-ova teorija kolornog vidjenja kod ljudi predpostavlja postojanje 3 vrste čepića koji sadrže različite fotopigmente i svaki je osetljiv na jednu od 3 primarne boje: (a) crvena (723 - 647 nm), čepić sa maksimumom na 565 nm ima širok spektar pa daje osećaj crvenog; (b) zelena (579 – 492), čepić sa maksimumom na 535 nm daje osećaj zelenog; (c) plava (492-450), čepić sa maksimumom na 440 nm daje osećaj plavog.

Gen za humani rodopsin nalazi se na hromozomu 3, gen za pigment za plavu boju na hromozomu 7, a druga dva gena za crvenu i zelenu boju nalaze se u paru na q-kraku hromozoma X. Ljudi su trihromati, a mnogi sisari su dihromati. Slepilo za boje nasledjuje se recesivno.

Da bi prepoznao boju, mozak poredi odgovore sve tri vrste čepića (plavo, zeleno, crveno). To može da objasni zašto bilo koja boja može da se proizvede odgovarajućom kombinacijom crvene, plave i zelene boje. Ulazne informacije iz 3 vrste čepića kombinuju se u mozgu na razne načine. Mnoge ganglijske ćelije, kao

i neuroni u bočnom kolenastom telu i vidnom korteksu mogu da budu ekscitirani jednom, a inhibisani drugom vrstom čepića, tzv. antagonistička interakcija: crveno-zeleno, žuto-plavo, belo-crno.Naime crveno antagonizuje zeleno ukoliko dolaze sa istog objekta. Prepostavka je da unutar receptivnog polja jednog neurona, čepići za crveno i čepići za zeleno deluju medjusobno antagonistički. Smatra se da su ova tri para čepića (u odnosu na antagonističke boje) organizovani u retini u tri kanala. Tako, jedan kanal odgovara aktivacijom na crveno, a inhibicijom na zeleno, i ako su ove dve boje u odgovarajućem odnosu pomešane, kanal ne daje izlaznu informaciju. Tako ne možemo da vidimo crvenkasto-zeleno, ili plavkasto-žuto, a možemo da vidimo crvenkasto-plavo ili crvenkasto-žuto (oranž). Kombinacija zelenog i crvenog daće žuto, a kombinacija sve tri boje daće belo.

antagonistička interakcijazeleno crveno

žuto plavobelo crno

objekat

S druge strane, pri vidjenju boja, mozak ne poredi samo informacije koje stižu sa čepića aktiviranim svetlosnim zracima koji stižu sa objekta, nego i zracima sa okoline, odnosno govori se o kontrastu boja: Tako će siv objekat na zelenoj podlozi imati crvenkastu boju, jer zeleno potencira crveno itd.

Kontrast boja zeleno crveno

žuto plavo belo crno

Objekat Okolina

1 1

9Poglavlje 9.

ČULO SLUHA I RAVNOTEŽE

9.1. Čulo sluha

Zvučni talasi. Zvuk je osećaj koji nastaje kada longitudinalne vibracije molekula u spoljašnjem okruženju udare na membranu timpani. Ako se te vibracije prikažu kao promene pritiska na bubnoj opni, amplituda talasa odredjuje jačinu zvuka, a frekvenca talasa visinu zvuka. Jačina: 0 - 140 decibela, visina: 20 do 20000 Hz, najveća osetljivost 1000 do 3000 Hz (čovek). Normalan razgovor 65 dB, šaputanje - 20 dB, zvučni pritisak veći od 100 dB može da ošteti senzorni sistem kohlee, što zavisi od intenziteta, frekvence i dužine izlaganja zvuku.

Pretvaranje zvučnog talasa u mehaničke vibracije. Zvučni talasi deluju na bubnu opnu. To izaziva vibracije bubne opne koje se prenose u srednje uho, odnosno na čekić, nakovanj, uzengiju, a zatim na ovalni prozor (površina bubne opne je veća od površine ovalnog prozora, pa se pritisak povećava). Tečnošću ispunjena kohlea obuhvata

skalu vestibuli koja je preko helikotreme povezana sa skalom timpani na čijem se kraju nalazi okrugli prozor (Sl. 99). Oscilacije se prenose i na skalu media tj. bazilarnu membranu i Kortijev organ. Oscilovanje uzengije uspostavlja u perilimfi skale vestibuli tzv. putujuće talase (talasi se zovu putujući, jer uzengija kontinuirano osciluje tokom trajanja zvučnog talasa, a kao posledica toga postoji kontinuirana smena talasa duž bazilarne membrane).

Sl. 99. Šematski prikaz skale vestibuli, timpani i media.

Beleške

1 1

9.1.1. Trepljaste ćelije, mehanizam transdukcije

Kohlea pretvara promene u pritisku tečnosti u nervnu aktivnost. Kortijev organ sadrži 3 reda spoljašnjih (inervisane holinergičkim eferentnim vlaknima, utiču na vibracije bazilarne membrane) i 1 red unutrašnjih dlakastih ćelija koje predstavljaju sekundarne čulne ćelije. Svaka je uložena u epitel od potpornih ćelija. Bazalni kraj ćelije nalazi se u bazilarnoj membrani, a na apikalnom kraju nalaze se stereocilije i po jedna kinocilija. Stereocilije probijaju čvrstu membranu (laminu reticularis) i projektuju se na elastičnu tektorijalnu membranu, pa

ne mogu slobodno da se pokreću. Pokreti bazilarne membrane, i bazalnog dela dlakastih ćelija dovode do savijanja stereocilija u jednom ili drugom smeru u odnosu na kinociliju, što dovodi do promena u provodljivosti membrane, odnosno depolarizacije ili hiperpolarizacije (Sl. 100). Membranski potencijal dlakastih ćelija je oko –60 mV, a prilikom depolarizacije se smanjuje za oko 10 mV. Endolimfa u skali mediji ima visoku koncentraciju K+, a perilimfa Na+. Stereocilije imaju mehano-senzitivne kanale na svojim vrhovima (Sl. 101).

Pomeranje stereocilija prema kinociliji povećava vreme tokom koga su nespecifični katjonski kanali otvoreni, a pomeranje od kinocilije skraćuje to vreme. Kako je u endolimfi koncentracija K+ veća no u dlakastim ćelijama, po otvaranju kanala javlja se ulazna K struja, pa se depolariše membrana tj. javlja se generatorski potencijal. To aktivira voltažno-zavisne Ca2+ kanale i javlja se ulazna Ca2+ struja što dovodi do egzocitoze neurotransmitera, najverovatnije glutamata. Ulazak Ca2+ aktivira Ca2+-zavisne K+ kanale, a depolarizacija otvara voltažno-zavisne K+ kanale, pa se na taj način uklanja K+ iz ćelije. Joni Ca2+ uklanjaju se aktivnim pumpanjem van ćelije (Sl. 102). Dlakaste ćelije su u sinaptičkom kontaktu sa senzitivnim neuronima, aferentnim bipolarnim neuronima čija se tela nalaze u spiralnoj gangliji. U njima dolazi do geneze akcionog potencijala. Pomeranje stereocilije u suprotnom smeru dovodi do hiperpolarizacije, jer se skraćuje vreme tokom koga su kanali otvoreni, pa se smanjuje i količina oslobođenog neurotransmitera.

Sl. 101. Šematski prikaz položaja stereocilija u odnosu na kinociliju i aktivnosti mehano-senzitivnih jonskih kanala za K+.

Objašnjenje u tekstu.

Sl. 102. Aktivnost dlakastih ćelija. (1) ulazak K+ kroz mehano-senzitivne kanale; (2) ulazak Ca2+ kroz voltažno-zavisne kanale; (3) izlazak K+ kroz Ca2+-senzitivne K-kanale; (4) izlazak K+ kroz voltažno-

zavisne K+ kanale; (5) jonska pumpa za izbacivanje Ca2+.

9.1.2. Kodiranje frekvence i jačine zvuka

Oscilacije bazilarne membrane izazivaju oscilatorne promene položaja stereocilija, a to indukuje promene vrednosti membranskog potencijala dlakastih ćelija tj. smenu depolarizacije i hiperpolarizacije. Kada je membrana depolarisana dolazi do ulaska jona Ca2+ kroz voltažno-zavisne jonske kanale što omogućava egzocitozu neurotransmitera. Neurotransmiter izaziva pojavu EPSP na subsinaptičkoj membrani senzitivnog neurona i genezu akcionih potencijala ukoliko elektrotonička depolarizacija inicijalnog segmenta dostigne tačku okidanja. Generisanje akcionih potencijala u vlaknima bipolarnih ćelija odredjenom frekvencom odredjuje jačinu zvuka. Drugim rečima, intenzitet zvuka kodiran je frekvencom okidanja senzitivnog neurona.

Kodiranje visine tona omogućeno je aktivacijom različitih dlakastih ćelija poređanih duž baziralne membrane. Naime, različiti regioni kohleje selektivno su osetljivi na zvukove različite frekvence. Zvuci različite frekvence proizvode različite putujuće talase, koji imaju pik amplitude na različitim mestima duž bazilarne membrane. Razlike u mehaničkim osobinama bazilarne membrane odgovorne su za činjenicu da različiti delovi membrane vibriraju maksimalno pri različitim frekvencama zvuka. Pri niskim frekvencama, pik amplitude putujućeg talasa je blizu apeksa u oblasti helikotreme, a pri visokim frekvencama pik amplitude je u blizini baze kohleje. S druge strane, dlakaste ćelije koje se nalaze na različitim mestima duž bazilarne membrane maksimalno su osetljive na one frekvence koje imaju pik amplitude putujućeg talasa na datom mestu. Različite frekvence ekscitiraće različite dlakaste ćelije locirane na različitim mestima duž bazilarne membrane.

9.1.3. Nervni putevi

Auditorni nervni put počinje u kohlearnom aparatu unutrašnjeg uha gde su smešteni fonoreceptori. Sa fonoreceptorima stvaraju veze dendritski završeci bipolarnih neurona čija se tela nalaze u spiralnoj gangliji. Aksoni ovih ćelija ulaze u sastav kohlearnog nerva (auditorna komponenta VIII kranijalnog nerva) i projektuju se na ventralni i dorzalni kohlearni nukleus u produženoj moždini. Aksoni neurona II reda, posle delimičnog ukrštanja, projektuju se na neurone III reda koji se nalaze u sastavu olive superior, nukeusa trapezoidnog tela i donjih kolikula mezencefalona. Neuroni koji potiču iz prva dva nukleusa projektuju se ili direktno na genikulatno telo talamusa, ili se ta projekcija ostvaruje posle sinapse u donjim kolikulama. Sa donjih kolikula polaze projekcije na talamus. Ukrštena i neukrštena vlakna auditornog trakta projektuju se na genikulatno telo talamusa tako da su fonoreceptori svih delova Kortijevog organa prisutni u talamičnim

Sl. 100. Prikaz pomeranja stereocilija u odnosu na kinociliju i promena membranskog potencijala dlakaste ćelije. slika 93.tif

1 1

nukleusima. Kohlearna jedra u produženoj moždini imaju tonotopsku organizaciju, kao i medijalno genikulatno telo talamusa i auditorna zona korteksa. Često se kaže da je primarna slušna zona korteksa razvijena kohleja. Tonotopska organizacija je posledica rasporeda dlakastih ćelija duž bazilarne membrane koje reaguju na zvuke različite frekvence.

9.2. Čulo ravnoteže

Vestibularni sistem detektuje poziciju i pokrete glave u prostoru, integrišući informacije iz perifernih receptora smeštenih u unutrašnjem uhu sa obe strane. Za razliku od ostalih osećaja, osećaj ravnoteže nije istaknut u našoj svesti. Ova dimenzija je suštinska za motoriku, pokrete očiju i položaj tela.

9.2.1. Funkcija vestibularnih trepljastih ćelija

Vestibularni labirint je deo membranskog labirinta i sastoji se iz (1) vrećastih struktura – utrikulus i sakulus i (2) tri polukružna kanala postavljena normalno jedan na drugi.

U polukružnim kanalima na proširenom kraju ampule nalazi se receptorska struktura krista ampularis koja sadrži dlakaste i potporne ćelije, a na njihovom vrhu nalazi se želatinozna masa kupula koja zatvara ampulu (Sl. 103). Apikalni deo dlakastih ćelija uronjen je u kupulu (u kontaktu sa endolimfom), a bazalni deo ćelije u kontaktu sa bipolarnim senzitivnim neuronima koji formiraju vestibularni nerv. Krista ampularis reaguje na rotaciono ubrzanje. Zbog inercije, endolimfa u kristi ampularis se pomera u suprotnom smeru od smera rotacije, a to savija stereocilije i izaziva promenu membranskog potencijala: depolarizaciju ako se stereocilije pomeraju prema kinociliji, a hiperpolarizaciju ako se pomeraju na suprotnu stranu.

Otolitni organ, makula, nalazi se u sakulusu (na zidu u poluvertikalnom položaju) i utrikulusu (na podu). Sadži dlakaste i potporne ćelije čiji se apikalni delovi projektuju u otolitnu membranu, želatinoznu materiju koja sadrži kristale kalcijum karbonata (otoliti, ušna prašina, gušći od endolimfe). Makule reaguju na linearno ubrzanje (utrikulus horizontalno, ventrikulus vertikalno). Ubrzanje u ma kom smeru dovodi do pomeranja otolita u suprotnom smeru, jer su gušći od endolimfe, a to dovodi do savijanja stereocilija u odnosu na kinociliju i promene membranskog poencijala. Mehanizam aktivnosti dlakastih ćelija isti je kao u Kortijevom organu.

9.2.2. Centralni nervni putevi

Nervna vlakna koja prenose informacije iz vestibularnog aparata ulaze u sastav vestibularnog nerva (vestibularna komponenta VIII kranijalnog nerva) i projektuju se na vestibularna jedra u produženoj moždini, a deo vlakana bez prekopčavanja nastavlja do malog mozga (flokulonodularnog režnja). Iz vestibularnog nukelusa idu nervna vlakna koja formiraju vestibulospinalni trakt.

Sl. 103. Krista ampularis. Objašnjenje u tekstu.

Takođe, iz motornih vestibularnih jedara polaze neuroni II reda koji idu nagore putem medijalnog longitudinalnog fascikula do jedara kranijalnih nerava koji inervišu mišiće oka. Postoje i anatomski slabo definisani putevi kojima se impulsi iz vestibularnih receptora prenose putem talamusa do moždane kore.

10 11

10Poglavlje 10.

ČULO UKUSA I ČULO MIRISA

Često se klasifikuju kao viscelarni osećaji zbog povezanosti sa gastrointestinalnim traktom. Fiziološki su povezani, jer aroma hrane zavisi od kombinacije ukusa i mirisa. Čovek i drugi sisari mogu da razlikuju veliki broj različitih mirisa i ukusa. Čovek može da razlikuje nekoliko hiljada mirisa što je manje u odnosu na neke životinje, međutim profesionalci koji testiraju mirise mogu da razlikuju i do 5000 mirisa. Takođe ljudi koji testiraju vina mogu da prepoznaju više od 100 različitih ukusa i aroma. Molekuli koji se prepoznaju po mirisu aktiviraju specijalizovane hemoreceptore u nosu, dok oni koji daju ukus hrani prepoznaju hemoreceptori grupisani u ukusne pupoljke.

10.1. Senzacija mirisa, mehanizam transdukcije

Čulo mirisa ima veoma nizak prag nadražaja za određene mirise. Miris belog luka (metilmerkapten) oseti se ako je

prisutan u koncentraciji od 0.4 ppt; ulje peperminta oko 20 ppb, a hloroform 3 ppm. Međutim, razlikovanje intenziteta mirisa je relativno slabo. Koncentracija mirisne materije treba da se promeni za 30% da bi se razlika detektovala. Molekuli koji imaju miris su relativno male molekulske mase, sadrže od 3 ili 4 do 18-20 C atoma, a molekuli sa istim brojem C atoma, a različitom konfiguracijom imaju različite mirise. Relativno visoka rastvorljivost u vodi i lipidima je karakteristika materija sa jakim mirisom. U pacovskom genomu postoji oko 1000 gena koji kodiraju receptore za mirisne molekule. Kod čoveka takođe postoji veliki broj gena koji kodiraju receptore za mirisne molekule. Svi ti receptori su G protein-zavisni receptori, ali je svaki jedinstvena struktura. Mogu da aktiviraju AC i da izazovu povećanje koncentracije cAMP koji se vezuje za jonski kanal. Dolazi do otvaranja katjonskih kanala i javlja se ulazna Na+ struja što dovodi do lokalne depolarizacije membrane, odnosno pojave generatorskog potencijala. Neki receptori aktiviraju PLC i povećavaju nivo inozitol-trifosfata, odnosno intracelularnog Ca2+.

Beleške

1 1

Takođe, delovanje nekih mirisnih molekula rezultira povećanjem nivoa cGMP, ili ugljen monoksida, ali uloga ovih intracelularnih glasnika u transdukciji nije još objašnjena. Svaki bipolarni mirisni neuron sadrži jedan tip receptora, pa se smatra da delovanje datog mirisa izaziva aktivaciju više od jedne vrste receptora, a konkretna senzacija mirisa zavisi od kombinacije aktiviranja odredjenih receptora, tj. bipolarnih mirisnih neurona. Obzirom da se receptori nalaze u membrani cilija, predpostavlja se da se lipofilni molekuli da bi prošli kroz hidrofilni sluzavi sloj koji prekriva mukoznu membranu, vezuju za proteinske nosače (OBP – odorant binding protein) koji ih prenose do receptora. Takođe, iz iskustva je poznato da se čulo mirisa relativno brzo adaptira. Naime, ako uđemo u neku prostoriju gde se oseća karakterističan jak miris, posle kratkog vremena osećaj slabi. To je rezultat bar dva mehanizma. Prvo, interakcija mirisnog molekula sa receptorom može da bude praćena desenzitizacijom receptora zbog fosforilacije receptora odgovarajućom kinazom. Drugo, olfaktorni neuron može da adaptira svoj CNG-jonski kanal na cAMP, efekat koji je analogan onome što se dešava u fotoreceptorima. Prema nekim autorima, adaptacija na miris obuhavata i odgovarajuće centralne mehanizme, kao što je hiperpolarizacija centralnih neurona.

Sl. 104. Šematski prikaz olfaktorne mukoze. Objašnjenje u tekstu.

Olfaktorna mukoza se nalazi u gornjem delu nosne šupljine i sadrži tri tipa ćelija: (a) bipolarne mirisne neurone (primarne čulne ćelije) koje imaju poluživot oko 60 dana; (b) potporne ćelije čiji mikrovili u apikalnom delu pokrivaju olfaktornu mukozu i luče sluzavi sloj koji prekriva olfaktornu membranu; (c) bazalne ćelije od kojih se formiraju nove receptorne ćelije (Sl. 104).U olfaktornoj mukozi se nalaze i nociceptori koji se aktiviraju iritativnim supstancama, a nadražajna, trigeminusom posredovana komponenta, je deo karakterističnog mirisa nekih supstanci kao što su pepermint, hlor, mentol. Ovi završeci su odgovorni i za izazivanje kijanja, lučenje suza, zaustavljanje disanja i druge refleksne odgovore koji se javljaju pri nazalnoj iritaciji.

10.2. Nervni putevi

Sl. 105. Olfaktorni neuroni, veza sa mitralnim ćelijama i formiranje olfaktornog bulbusa.

Olfaktorni nerv probija etmoidnu kost i dolazi do olfaktornog bulbusa gde aksoni receptornih neurona formiraju globularne sinapse sa dendritima mitralnih

ćelija, a to predstavlja olfaktorne glomerule (Sl. 105). Aksoni mitralnih ćelija formiraju olfaktorni trakt koji se projektuje u pet regiona: (a) anteriorni olfaktorni nukleus odakle signal ide u olfaktorni bulbus na suprotnoj strani; (b) olfaktorni tuberkulus; (c) piriformni korteks; (d) amigdaloidne nukleuse; (e) entorinalni korteks.

10.3. Senzacija ukusa, mehanizam transdukcije

Ukusni pupoljci nalaze se u sluzokoži epiglotisa, nepca, farinksa i u zidovima fungiformnih i cirkumvalatnih papila jezika (Sl. 106). Sadrže hemoreceptore koji predstavljaju sekundarne čulne ćelije čiji poluživot iznosi nekoliko dana. Četiri morfološki različita tipa ćelija nalaze se u ukusnim pupoljcima: bazalne ćelije, tamne ćelije, svetle ćelije i intermedijarne ćelije. Bazalne ćelije, male okrugle ćelije u bazi ukusnog pupoljka, su ćelije od kojih nastaju ostale ćelije. Ostala tri tipa ćelija predstavljaju različite stadijume diferencijacije receptornih ćelija, pri čemu su svetle ćelije zrele diferencirane ćelije (Sl. 106). Sva tri tipa ćelija su izduženog bipolarnog oblika, sa cilijama koje se protežu u otvor ukusnog pupoljka. U ukusnom pupoljku nalazi se oko stotinak receptornih ćelija. Cilije su jedini deo receptorne ćelije koji je u kontaktu sa usnom dupljom. U njima se nalaze receptorni proteini koji vezuju ukusne molekule. Hemoreceptori su inervisani sa senzitivnim neuronom na svom bazalnom polu. Mada su ukusni receptori epitelijalnog porekla, ostvaruju hemijsku sinapsu sa senzitivnim neuronom. Takođe, pokazano je da sadrže voltažno zavisne Na+, K+ i Ca2+ kanale, pa mogu da generišu akcione potencijale.

Ukusni hemoreceptori prepoznaju četiri osnovna ukusa: gorko, slatko, slano i kiselo. Natrijum glutamat predstavlja peti ukus nazvan umami. Molekularni mehanizmi koji obezbeđuju transdukciju ukusnog signala razlikuju se za svaki ukus. Molekuli koji izazivaju ukus slatkog vezuju se

za specifične receptore koji predstavljaju G-protein zavisne receptore koji aktiviraju AC i povećavaju sintezu cAMP. On aktivira protein kinazu A koja fosforiliše jonske kanale za K+ što rezultira njihovim zatvaranjem. Kako su pre stimulacije receptora K+ kanali otvoreni, njihovo zatvaranje dovodi do lokalne depolarizacije membrane i oslobađanja neurotransmitera u sinapsu sa senzitivnim neuronom. Drugi mehanizam pomoću koga slatko izaziva pojavu generatorskog potencijala jeste aktivacija G-protein zavisnih receptora koji aktiviraju PLC, što rezultira povećanjem inozitoltrifosfata i oslobađanjem Ca2+ iz intracelularnih rezervoara. Gorak osećaj daju različite supstance, kao što su neke aminokiseline, dvovalentni joni, alkaloidi, kinini. Smatra se da postoji više različitih mehanizama trandukcije za gorko. Jedna vrsta receptora su G-protein-zavisni receptori koji aktiviraju PLC i povećavaju nivo inozitol trifosfata i intracelularnog Ca2+. Neke supstance koje su lipofilne, kao na primer kinini, mogu da blokiraju K+ kanale u apikalnom delu ćelije i da na taj način izazovu depolarizaciju membrane. Slano je rezultat ulaska jona Na+ kroz tzv. amilorid-senzitivne jonske kanale, što izaziva depolarizaciju. Ovi

Sl. 106. Fungiformne papile (1), cirkumvalatne papile (2) i ukusni pupoljci (3). Desno: a, b, c, različiti tipovi ukusnih ćelija u različitim stadijumima diferencijacije; (4) sinapsa receptora sa senzitivnim

neuronom.

1 1

kanali vezuju amilorid, što sprečava osećaj slanog. Kisele supstance izazivaju povećanje koncentracije H+ jona koji mogu da blokiraju K+ kanale u apikalnom delu ćelije i da na taj način izazovu depolarizaciju. Ovi kanali su otvoreni u ne-stimulisanoj ćeliji, pa njihovo zatvaranje izaziva depolarizaciju membrane. Smatra se da je umami ukus rezultat aktivacije metabotropnih glutamatskih receptora.

Gorko se oseća na korenu jezika, kiselo duž ivice, slatko na vrhu, a slano na prednjem delu jezika. Sva četiri modaliteta osećaju se na farinksu i epiglotisu.

10.4. Centralni nervni putevi

Senzorna nervna vlakna iz ukusnih pupoljaka sa prednje 2/3 jezika idu granom timpani nerva facijalisa, a iz zadnje trećine nervom glosofaringeusom. Vlakna iz drugih područja van jezika dolaze u produženu moždinu nervom vagusom. Na obe strane, mijelizirana, relativno sporo-provodna vlakna iz ova tri nerva, ujedinjuju se u produženoj moždini i ulaze u nukleus trakta solitarijusa, gde se prekopčavaju na neurone II reda čiji se aksoni ukrštaju i pridružuju medijalnom lemniskusu i projektuju do talamusa. U specifičnim nukleusima talamusa vrši se prekopčavanje na neurone III reda koji odlaze u deo senzornog korteksa na bazi postcentralnog girusa, gde se završavaju senzorni putevi sa kože lica.

11.1. Opšti principi

Somatska motorna aktivnost zavisi od obrasca i frekvence okidanja motoneurona u kičmenoj moždini, i homologih neurona u motornim jedrima kranijalnih živaca. Ovi neuroni predstavljaju zajednički finalni put za veći broj ulaza. Impulsi koji konvergiraju na motoneurone obezbedjuju tri vrste pokreta: voljne pokrete, refleksne radnje i ritmičke motorne radnje – kombinaciju voljnih i refleksnih radnji. Inicijacija i završetak neke ritmičke motorne radnje su voljni, ostala aktivnost je refleksnog karaktera. Pored toga, da bi se pokreti odvijali, mora da se vrši neprekidno podešavanje položaja tela, čime se obezbedjuje stabilna osnova za pokrete. Takodje se uskladjuje rad mišića da pokreti budu glatki i precizni.

Postoje tri nivoa CNS koji kontrolišu somatsku motornu aktivnost, a organizovani su hijerarhijski i paralelno (Sl. 107). Kičmena moždina sadrži neuronske mreže koje

mogu da kontrolišu različite automatske stereotipne reflekse, koji mogu da funkcionišu i kada je kičmena moždina odvojena od viših delova CNS. Moždano stablo sadrži više eferentnih puteva koji učestvuju u kontroli aktivnosti kičmene moždine. Moždano stablo integriše

11Poglavlje 11.

KONTROLA STAVA TELAI POKRETA

Sl. 107. Hijerarhijska i paralelna kontrola stava tela i pokreta. Objašnjenje u tekstu.

1 1

vizuelne i vestibularne informacije sa somatosenzornim informacijama i ima važnu ulogu u modulaciji aktivnosti kičmene moždine u vezi položaja tela. Kontroliše pokrete glave i očiju. Korteks je najviši nivo kontrole. Važne su tri zone: primarni motorni korteks, lateralni premotorni korteks i suplementarna motorna oblast. Odavde polaze neuroni čiji aksoni formiraju kortikospinalni trakt.

Paralelnu kontrolu predstavljaju cerebelum i bazalne ganglije. Cerebelum povećava preciznost pokreta poredeći silazne motorne komande koje stižu iz korteksa sa informacijama koje stižu iz mišića. Bazalne ganglije primaju informacije is svih kortikalnih zona i u vezi su preko talamusa sa frontalnim korteksom koji je odgovoran za planiranje pokreta.

11.2. Eferentni putevi iz moždanog stabla i korteksa

Mogu da budu locirani medijalno tj. ventralno i lateralno. Ventralni su u vezi sa inervacijom mišića trupa i mišića na proksimalnim delovima ekstremiteta, dok su lateralni putevi u vezi sa mišićima u distalnom delu udova.

Iz moždanog stabla polaze retikulospinalni trakt, vestibulospinalni trakt i tektospinalni trakt koji predstavljaju medijalne puteve. U lateralne puteve spada rubrospinalni trakt iz nukleusa ruber (nu. ruber).

Ceruleospinalni trakt obuhvata noradrenergičke neurone iz nukleusa ceruleusa (nu.ceruleus), dok iz nukleusa rafe (nu.rafe) polazi rafe-spinalni trakt koji obuhvata serotonergička nervna vlakna.

Iz motornog korteksa polazi kortikobulbarni trakt koji kontroliše motoneurone u kranijalnim živcima koji inervišu muskulaturu lica, i kortikospinalni trakt, ili piramidalni put, koji predstavlja najveći silazni put. Sadrži

po milion aksona sa svake strane. U produženoj moždini vlakna se grupišu i formiraju piramide na ventralnoj strani produžene moždine. Na granici produžene i kičmene moždine ¾ vlakana se ukršta i formira lateralni kortikospinalni trakt, a neukrštena vlakna formiraju ventralni kortikospinalni trakt koji je filogenetski stariji. Kortikobulbarna vlakna završavaju se direktno na motoneuronima koji inervišu mišiće glave i lica. Aksoni ventralnog trakta završavaju se na interneuronima koji kontrolišu motoneurone aksijalnih mišića trupa i vrata i proksimalnih mišića udova. Aksoni lateralnog trakta završavaju se direktno na motoneuronima koji inervišu distalne mišiće ekstremiteta. Pre sinapse sa motoneuronima se ukrštaju. Razaranje lateralnog trakta izaziva znak Babinskog.

Mehanizmi kontrole položaja tela locirani su od kičmene moždine do korteksa. Neprekidno podešavanje položaja tela kao osnove za voljne pokrete obuhvata statičke i fazne reflekse, prvi zahtevaju produženu kontrakciju, a drugi prolazne pokrete. Obe vrste integrisane su na različitim nivoima CNS. Glavni faktor u kontroli položaja tela jeste variranje praga nadražaja refleksa na istezanje što se postiže promenom nadražljivosti motoneurona i, indirektno, promenom frekvence okidanja γ-eferentnih neurona.

11.3. Kičmena moždina

U kičmenoj moždini smešteni su centri spinalnih refleksa koji su opisani ranije. Pored toga, kod spinalne životinje može da se izazove pozitivna i negativna reakcija podupiranja. Naime, ukoliko se donji deo stopala životinje prisloni uz podlogu dolazi do opružanja stopala da podupre telo. Ova reakcija zove se pozitivna reakcija podupiranja: stimulus je dodir podloge, receptori koji se aktiviraju su proprioreceptori u distalnim fleksorima. Nakon ove reakcije, zbog aktivacije proprioreceptora u

ekstenzorima dolazi do negativne reakcije podupiranja, odnosno prethodna reakcija prestaje.

11.4. Uloga produžene moždine

Ako se izvrši presek na gornjoj granici ponsa, javlja se tzv. decerebraciona rigidnost. Javlja se odmah po preseku. Posebno su aktivirani mišići ekstenzori i javlja se karakterističan položaj tela. Mehanizam nastanka jeste difuzna facilitacija refleksa na istezanje, zbog pojačane opšte nadražljivosti pula motoričkih neurona i porasta frekvence odašiljanja γ-eferentnih neurona. Kod lenjivca su aktivirani mišići fleksori. Naime, u produženoj moždini nalaze se facilitatorno i inhibitorno područje iz kojih se odašilju impulsi na γ-eferentne neurone. Velika facilitatorna oblast generiše impulse spontano, dok mala inhibitorna oblast mora da bude aktivirana. Aktivacija ove inhibitorne oblasti vrši se iz bazalnih ganglija, korteksa i malog mozga. Presek na gornjoj granici produžene moždine, ukida aktivaciju inhibitorne oblasti iz korteksa i bazalnih ganglija i dolazi do neravnoteže između facilitatornih i inhibitornih impulsa u korist facilitacije. To rezultira prenaglašenom aktivnošću mišića ekstenzora koji se odupiru sili teže. Ako se odstrani i mali mozak, decerebracija se povećava. Na nivou produžene moždine nalaze se centri toničnih labirintnih refleksa i toničnih vratnih refleksa.

Kod decerebrirane životinje, oblik rigidnosti u ekstremitetima varira sa položajem tela. Ako životinja leži na leđima, ukrućenost opruženih ekstremiteta je maksimalna, ako životinja leži po strani, rigidnost se smanjuje, a postaje minimalna kada je životinja okrenuta trbuhom prema podlozi. Promena aktivnosti ekstenzora koji izazivaju opružanje ekstremiteta nastaje kao posledica aktivacije toničnih labirintnih refleksa. Naime, gravitacija deluje na otolitni organ u čulu ravnoteže. Kao rezultat, nastaje refleksna aktivacija mišića ekstenzora.

U slučaju toničnih vratnih refleksa, dolazi do aktivacija proprioreceptora u mišićima vrata zbog promene položaja glave u odnosu na telo. Ako se glava okrene u stranu, ekstremiteti sa te iste strane su još rigidniji, a kontralateralni manje. Ako se glava savije napred, dolazi do fleksije prednjih i opružanja zadnjih ekstremiteta. Nasuprot tome, ako se glava ispravi na gore, dolazi do fleksije zadnjih a ekstenzije prednjih ekstremiteta.

11.5. Uloga mezencefalona

Ukoliko se izvrši presek na gornjoj granici mezencefalona, životinja može da se podigne u stojeći stav, može da hoda i dok traju ove aktivnosti, statički fenomen ukočenosti nije izražen. Kod mezencefalične životinje mogu da se aktiviraju sledeći refleksi uspravljanja: labirintni refleks uspravljanja, vratni refleks uspravljanja, refleks sa trupa na glavu, refleks sa trupa na trup, optički refleks uspravljanja.

Labirintni refleks uspravljanja može da se izazove ukoliko se životinja drži za trup i naginje s jedne na drugu stranu. Podražaj je naginjanje glave, što izaziva aktivaciju otolitnog organa i kompenzacijsku reakciju vratnih mišića, tako da glava može da se drži vodoravno.

Vratni refleks uspravljanja omogućava uspravljanje ramena i toraksa, a zatim donjeg dela trupa. Naime, podizanje glave izaziva istezanje vratnih mišića i aktivaciju mišićnih vretena. Dolazi do kontrakcije vratnih mišića, a njihovom kontrakcijom uspravljaju se ramena, i izaziva talas lančanih reakcija koje rezultiraju uspravljanjem tela.

Refleks sa trupa na glavu može da se aktivira i da omogući životinji podizanje glave i kada je labirint uništen, odnosno onemogućena aktivacija labirintnog refleksa uspravljanja. Ukoliko životinja leži na boku, aktiviraju

1 1

se eksteroreceptori sa te strane tela i izaziva podizanje glave, a to aktivira vratni refleks uspravljanja i omogućava podizanje životinje sa podloge.

Ukoliko se spreči podizanje glave, životinja ipak može da se uspravi aktiviranjem refleksa sa trupa na trup. Kada životinja leži na boku, pritisak na jednu stranu tela može da izazove seriju refleksnih radnji koje rezultiraju uspravljanjem trupa i ako je sprečeno podizanje glave.

Optički refleks uspravljanja aktivira se ukoliko je vidni kortkes neoštećen. Naime, i bez stimulacije labirinta, proprioreceptora u mišićima vrata ili eksteroreceptora na trupu, moguće je izazvati podizanje glave određenim «vidnim slikama», što onda pokreće seriju lančanih refleksnih aktivnosti koje rezultiraju uspravljanjem tela.

11.6. Uloga kortikalne komponente

Kod nižih sisara motorički efekti dekortikacije su manje izraženi. Kod primata dolazi do većih poremećaja, kao i odsustva reakcija na bazi iskustva, odnosno encefalizacija je u većoj meri izražena. Kod životinja dolazi do pojave umerene rigidnosti zbog gubitka inhibitornih impulsa iz kore na retikularnu formaciju u produženoj moždini. Karakteristične motorne reakcije vezane za korteks jesu reakcija postavljanja i reakcija poskakivanja. Reakcija postavljanja javlja se ukoliko bilo koji deo ekstremiteta životinje dodirne podlogu, čak i ako je životinja okrenuta glavom na dole, pokrivenih očiju, a njuška ili brkovi dotaknu podlogu. U tom slučaju ekstremiteti se postavljaju u položaj da podupru telo, odnosno opružaju se zbog kontrakcije ekstenzora. Druga reakcija se javlja ako se životinja odgurne u stranu. Tada ona poskakuje, a ti pokreti dovode ekstremitete u položaj da podupru telo.

11.7. Uloga bazalnih ganglija

Bazalne ganglije predstavljaju subkortikalne nukeluse smeštene u dubinu bele mase moždanih hemisfera (Sl. 108). Obuhvataju nukleus kaudatus (nu. caudatus), putamen, globus palidus (globus pallidus), i pridružene strukture, subtalamičke nukleuse (nu. subtalamicus) i substanciju nigru (substantia nigra). Nukleus kaudatus sa putamenom čini filogenetski noviji deo bazalnih ganglija, neostriatum, dok je globus palidus, paleostriatum. Za sve tri strukture koristi se i termin korpus striatum (corpus striatum). Za putamen i globus pallidus koristi se i termin nukleus lentrikularis (nu. lentricularis).

Sl. 108. Šematski prikaz bazalnih ganglija.

Saznanja o funkciji bazalnih ganglija su nekompletna. Utvrdjena je nervna aktivnost u ovim strukturama pre započinjanja voljnih pokreta, što ukazuje da su uključene u njihovo planiranje. Najviše saznanja o funkciji bazalnih ganglija dobijeno je proučavanjem bolesti koje nastaju pri poremećaju u radu ovih struktura.

Bolesti bazalnih ganglija su poremećaji pokreta koji se mogu svrstati u dve kategorije: hiperkinetička i

hipokinetička stanja. Bolesti bazalnih ganglija su: horea (chorea) Hangtintonova bolest, atetosis, balizam, Parkinsonova bolest. Degeneracija nukleusa kaudatusa izaziva bolest horeu koja se karakteriše brzim, nevoljnim plesnim pokretima. Atetosis je rezultat poremećaja putamena, a karakteriše se ukrućenošću mišića i usporenim pokretima. Balizam nastaje kao rezultat lezija subtalamičkih nukleusa, a karakteriše se nevoljnim jakim pokretima, bacakanjem tela. Parkinsonova bolest je najpoznatija bolest bazalnih ganglija i rezultat je lezija substancije nigre. Karakteriše se hipohinetičkim i hiperkinetičkim stanjima. Kod Parkinsonove bolesti javlja se akinezija, odnosno teškoće u započinjanju pokreta i bradikinezija, što znači spori pokreti. Takođe, javljaju se i hiperkinetičke manifestacije, kao što su rigidnost i tremor.

11.8. Uloga malog mozga

Mali mozak ili cerebelum se sastoji iz dve hemisfere između kojih se nalazi vermis. Filogenetski nove strukture malog mozga označene su kao neocerebelum, i one zauzimaju lateralni deo hemisfera. Starije strukture zauzimaju prednji deo i označene su kao paleocerebelum, dok se zadnji deo zove arhicerebelum ili vestibulocerebelum i on predstavlja najstariji deo malog mozga.

Mali mozak kontroliše motornu aktivnost preko vestibularnog sistema uticajem na refleksne reakcije motoneurona u kičmenoj moždini i moždanom stablu, kao i uticajem na voljne pokrete. Vestibulocerebelum kontroliše mišićni tonus i presecanjem veze vestibularni nukleusi – mali mozak, kod pasa dolazi do pojačane kontrakcije ekstenzora. Kod primata se takođe javlja hipertonija, a kod čoveka hipotonija. Vestibulocerebelum je važan za održavanje ravnoteže i lezije ovog dela malog mozga dovode do gubitka sindroma morske bolesti. Mali mozak, a posebno neocerebelum, učestvuje u planiranju

voljnih pokreta i njihovom usklađivanju. Stoga pri povredi malog mozga, sem promena u refleksu na istezanje dolazi do poremećaja u kretanju i govoru. Gubi se sposobnost za izvođenje adekvatnih i koordinisanih pokreta. Javlja se dismetrija, odnosno osoba ne može da dodirne prstima objekt jer mu je pokret veći, ili manji od potrebnog. Posledica tako netačno određenog pokreta je tzv. intencioni tremor, odnosno pokreti se teško zaustavljaju. Poremećaji u radu neocerebeluma dovode i do poremećaja u govoru. Javlja se zastajkivanje u izgovaranju reči i sporost izražavanja. Bilateralna lezija neocerebeluma može kod čoveka da dovede do nesposobnosti za izbegavanje prepreka, najverovatnije zbog poremećaja u percepciji razdaljine.

10 11

12Poglavlje 12.

BUDNO STANJE, SPAVANJE, ELEKTRIČNA AKTIVNOST MOZGA

Spavanje predstavlja reverzibilan fiziološki proces, koji se javlja periodično, a odlikuje se prestankom delovanja viših funkcija velikog mozga. Čulna nadražljivost tokom spavanja je smanjena, pa je smanjeno i reagovanje na spoljne nadražaje, svest je ograničena, a izostaje i normalna psihička aktivnost. Skeletni mišići su opušteni usled odsustva njihove voljne aktivnosti, rad srca i disanje su usporeni, krvni pritisak je snižen. O uzrocima spavanja postoje brojne teorije, ali najvažniji činioci su zamor i uticaj centara za spavanje. Tokom spavanja dolazi do otklanjanja uzroka zamora i obnavljanja funkcionalne sposobnosti organizma. U širem smislu, budnim stanjem nazivamo period kada je organizam aktivan, a periode odmora nazivamo spavanjem.

12.1. Talamus, kortikalna organizacija, retikularna formacija

Na osnovu embrionalnog razvoja i topografskih odnosa, talamus se može podeliti na tri dela: (1) epitalamus –

ostvaruje vezu sa olfaktivnim sistemom; (2) ventralni talamus – projekcije i funkcije nisu utvrđeni i (3) dorzalni talamus - sadrži jedra koja se difuzno projektuju po neokorteksu (nespecifična projekciona jedra) i jedra koja se projektuju na specifične delove neokorteksa i limbičkog sistema (specifična relejna jedra, jedra povezana sa eferentnim kontrolnim mehanizmima ili složenim integrativnim funkcijama). Nespecifična projekciona jedra primaju informacije iz retikularnog aktivacijskog sistema, i kroz njih se prenose impulsi koji su odgovorni za difuznu sekundarnu reakciju i efekte retikularne formacije na pripravnost.

Neokorteks se sastoji od šest slojeva, a neuroni su najčešće piramidalne ćelije čija vertikalna dendritska stabla dopiru do površine kore. Aksoni ovih neurona obično daju rekurentne kolaterale koje se vraćaju nazad i obrazuju sinapse u površinskim delovima dendritskog stabla. Aferentna vlakna iz specifičnih jedara talamusa završavaju se u četvrtom, a iz nespecifičnih vlakna u svim slojevima kore.

Beleške

1 1

Sl. 109. Retikularna formacija u moždanom stablu.

Retikularna formacija je filogenetski najstariji deo centralnog nervnog sistema, i zauzima medioventralni deo produžene moždine i srednjeg mozga. U sklopu ove formacije nalaze se centri koji regulišu različite vegetativne funkcije kao što su disanje, krvni pritisak, frekvenca srčanog rada, ali i ushodne i nishodne komponente koje imaju važnu ulogu u regulaciji senzoričkog ulaza i stanja svesti. Retikularni aktivacijski sistem (RAS) je složen polisinaptički put, koji je tesno povezan sa električnom aktivnošću kore velikog mozga i aktivnost ovog sistema stvara svesno stanje pobuđenosti koje omogućuje percepciju. U RAS ulaze kolaterale iz dugačkih ascedentnih senzoričkih traktova i iz trigeminusnog, vidnog, slušnog i olfaktivnog puta. To znači da RAS mogu aktivirati različite senzorne informacije, pa se ovaj sistem smatra nespecifičnim. Jedan deo RAS-a mimoilazi talamus i difuzno se projektuje u koru velikog mozga, dok se drugi deo završava u određenim jedrima talamusa i iz njih se difuzno i nespecifično projektuje po celom neokorteksu. Lezije retikularne formacije izazivaju stanje dubokog spavanja i blokiraju mogućnost buđenja.

Još neki regioni mozga odgovorni su za buđenje, a to su: pons, locus ceruleus, substantia nigra i zadnji

deo hipotalamusa. Električna stimulacija ponsa, kao i zadnjeg hipotalamusa, izaziva buđenje, a odstranjivanje zadnjeg hipotalamusa izaziva prolongiranu pospanost. Destrukcija lokus ceruleusa, koji sadrži noradrenergičke neurone, eliminiše REM fazu spavanja kod mačaka. Lezija dopaminergičkih vlakana koja polaze iz substancije nigre dovodi do komatoznog stanja kod mačke, ali ovakvi efekti izostaju kod pacova. Od struktura odgovornih za padanje u san treba izdvojiti Rafe jedra (Raphe nuclei), skup serotonergičkih ćelija (visoka koncentracija serotonina izaziva spavanje), čija lezija dovodi do nesanice kod mačaka. Druga bitna struktura je preoptička regija čija lezija isto izaziva insomniju, a električna stimulacija pospanost i spavanje. Pored toga, stimulacija preoptičke regije redukuje buđenje izazvano stimulacijom retikularnog aktivacijskog sistema. Još dve bitne strukture, čiji mehanizmi još nisu dovoljno proučeni, su area postrema i jedro traktusa solitarijusa u produženoj moždini.

12.2. Elektroencefalogram

Elektroencefalogram (EEG) predstavlja zapis bioelektrične aktivnosti korteksa telencefalona. Može se registrovati kroz neotvorenu lobanju, elektrodama postavljenim na kožu glave ili na površini mozga ili u mozgu. EEG zapisi variraju u zavisnosti od aktivnosti mozga, stanja svesti i ogledaju se u različitim frekvencama i amplitudama talasa. Kod odraslog čoveka koji miruje zatvorenih očiju a misli mu lutaju, tipičan EEG je relativno pravilan zapis talasa sa frekvencom od 8-12/s i amplitudom od oko 50 nV. Ovaj zapis električne aktivnosti naziva se alfa ritam. Kod svih sisara ovaj ritam je veoma sličan i postoje male varijacije između vrsta. Pored alfa-ritma, mogu se registrovati i obrasci niže voltaže, sa frekvencom od 18-30/s (tzv. beta ritam), kao i zapis sa velikim pravilnim talasima frekvence od 4-7/s (teta ritam), koji se normalno javlja kod dece. Delta ritmom se nazivaju veliki spori talasi s frekvencom nižom od 4/s. Frekvenca dominantnog EEG ritma se menja sa životnom dobi. U detinjstvu se zapaža aktivnost slična beta ritmu ali niže frekvence koja raste sve do puberteta kada se postupno uspostavlja alfa ritam kao dominantan za odraslo doba.

Bilo koja senzorička stimulacija, mentalna koncentracija, pa čak i samo otvaranje očiju izazivaju prekid alfa ritma, i javlja se fenomen poznat pod nazivom alfa blok. Karakteriše ga brza, nepravilana niskovoltažna aktivnost bez pravilne frekvence. Ova zamena pravilnog alfa ritma nepravilnim naziva se desinhronizacija, jer prekida ujednačeni, sinhronizovani alfa ritam. Kako desinhronizacija nastaje senzoričkom stimulacijom i u korelaciji je sa pobuđenošću ili stanjem pripravnosti naziva se još i reakcija pobuđenosti (arousal response) ili reakcija pripravnosti (alerting response).

12.3. Faze spavanja

Bioelektrična aktivnost kore velikog mozga u toku spavanja nije monotona, istovetna tokom celog njegovog trajanja. Prvi stadijum lakog sna karakteriše se postepenim iščezavanjem alfa talasa i umesto njih se javljaju fluktuacije potencijalne razlike relativno male amplitude sa većom frekvencom. U drugom stadijumu spavanja javljaju se karakteristični obrasci aktivnosti, tzv. vretena odnosno izrazito šiljati talasi slični alfa ritmu s frekvencom od 10-14/s i voltažom od 50 nV. U trećem stadijumu vretena iščezavaju, obrazac pokazuje sporiju frekvencu i povećanu amplitudu EEG talasa, da bi u četvrtom stadijumu došlo do izrazite prevage talasa velike amplitude i male frekvence. Prema tome, karakteristika dubokog sna je pojava obrasca ritmičkih sporih talasa, što ukazuje na sinhronizaciju. Opisani tip spavanja naziva se sporotalasno (slow wave sleep, SWS) ili sinhronizovano spavanje, a sinonimi su duboko spavanje i ne-REM (nonREM) spavanje. Smatra se da se nonREM indukuje u Rafe jedrima jer postoje podaci da pražnjenje neurona, koji luče serotonin, sudeluje u nastajanju sporotalasnog spavanja.

Spori talasi velike amplitude koji se vide u EEG-u u toku spavanja, bivaju povremeno zamenjeni brzom,

Sl. 110. Strukture u mozgu odgovorne za budno stanje i spavanje.

Sl. 111. Alfa ritam kod različitih životinjskih vrsta i čoveka.

1 1

nisko voltažnom, nepravilnom EEG aktivnošću, koja je slična onoj koja se registruje kod životinja i ljudi u stanju pripravnosti. Međutim, spavanje se ne prekida, a prag za buđenje čak je i povišen. Ovo, tzv. paradoksalno spavanje, ili desinhronizovano spavanje, karakteriše se i brzim lutajućim pokretima očnih jabučica, pa se naziva REM spavanje (rapid eye movement, REM). Još jedna upečatljiva odlika ove faze je pojava velikih fazičkih potencijala koji se javljaju u grupama od 3-5, nastaju u ponsu, brzo prolaze kroz lateralno genikulatno telo i utiču u okcipitalnu koru. Ovi potencijali nazivaju se ponto-genikulo-okcipitalni pikovi (PGO). Iako se za vreme REM faze javljaju PGO i brzi pokreti očnih jabučica, tonus skeletne muskulature je znatno smanjen. PGO pikovi su markeri pojave REM spavanja, ali nije utvrđeno šta započinje odašiljanje iz ponsa.

Po dosadašnjim podacima nijedan poseban transmiter nije odgovoran za genezu REM spavanja, ali lokus ceruleus ima veoma važnu ulogu. REM spavanje je suprimirano lezijama u moždanom stablu koje dovode do ispražnjenosti noradrenalina (NA) iz prednjeg mozga, ali povišen nivo NA skraćuje REM fazu.

Dakle, ne-REM i REM spavanje odlikuju se različitom moždanom aktivnošću, a tokom spavanja se javljaju određenim redosledom. Prvo se javljaju faze ne-REM spavanja 1, 2, 3, 4, 3, 2, zatim REM spavanje i kasnije se ovaj redosled ponavlja sa izuzetkom faze 1 koja izostaje, a faza 3 i 4 se tokom noći smanjuju a mogu i izostati. Od detinjstva pa do odraslog doba smanjuje se nonREM spavanje (faze 3 i 4), a u starosti su povećane faze 1 i 2 i smanjene REM faza i faze 3 i 4. Novorođenče spava prosečno 16 sati, a skoro polovinu provodi u REM fazi. Postepeno se smanjuje dužina spavanja, a najviše se redukuje REM faza, u 10 godini REM spavanje se svodi na 25% od ukupnog vremena spavanja. Odrasla osoba spava prosečno 7 sati i takođe oko 25% od ukupnog trajanja spavanja provodi u REM fazi, a sama REM faza javlja se u toku spavanja svakih 80-100 minuta.

Ljude koje probudimo u momentu kada njihov EEG pokazuje da su u REM fazi, saopštavaju da su sanjali, za razliku od osoba probuđenih iz sporotalasnog spavanja. Tokom REM faze postoji efektivna senzorička spoznaja okoline, osetljiva u tolikoj meri da organizam može prepoznati da li mu je neki spoljašnji stimulus poznat, preteći ili bezopasan. Životinje koje se probude u toku REM faze bolje će se snaći u opasnoj situaciji nego da su u momentu buđenja bile u nekoj od ne-REM faza. Kada ljude, koji su u REM fazi, neki slab spoljašnji stimulus nadraži, oni mogu za par sekundi biti budni, u stanju pripravnosti i potpuno svesni okoline. Nasuprot tome, buđenje osobe u fazi 4 ne-REM spavanja veoma je teško i osoba koja se tada probudi ima osećaj privremene dezorijentacije i zbunjenosti.

Sl. 112. Elektroencefalogram, elektrookulogram i elektromiogram tokom budnog stanja i pojedinih faza spavanja.

Pokazano je da je kod čoveka tokom REM faze povećan tok krvi kroz amigdalu i cingulatni korteks što govori o povećanoj aktivnosti ovih delova limbičkog sistema. Predpostavlja se da je to u vezi sa emocionalno nabijenim pamćenjem, i sa emocionalnim aspektom snova, obzirom da je REM faza povezana sa sanjanjem. Imajući u vidu fragilnost REM faze u odnosu na emotivne spoljašnje stimuluse i emocionalnu nabijenost snova, začudjujuće je da se tokom sanjanja čovek ne budi češće. Izgleda da je tokom sanjanja čovek zaštićen od emocionalnog sadržaja snova. Neki autori smatraju da je povećana aktivnost amigdale u REM fazi inhibitornog karaktera, da blokira emocionalni sadržaj snova da bi se održao integritet spavanja, ali da istovremeno dopušta «registrovanje»

spoljašnjih stimulusa koji bi mogli da budu potencijalna opasnost.

Iako postoje mnoge slične karakteristike između REM faze i budnog stanja, prisutne su i razlike. Na primer, aktivacija limbičkog sistema tokom REM faze drugačija je od aktivacije ovih struktura tokom budnog stanja. Takođe, većina monoaminergičkih sistema u mozgu, aktivnih tokom budnog stanja, potpuno su inaktivni za vreme REM faze, posebno u lokusu ceruleusu. Prethodna tvrdnja može da sugeriše fundamentalnu razliku između dva navedena stanja, ali treba naglasiti da aktivnost monoaminergičkih neurona ovog nukleusa nije neophodna za stanje pobudjenosti.

Sl. 113. Trajanje pojedinih faza spavanja u različitim uzrasnim dobima.

1 1

13Poglavlje 13.

VEGETATIVNI NERVNI SISTEM

13.1. Funkcionalna organizacija: simpatička i parasimpatička komponenta

Vegetativni nervni sistem (VNS) ima primarnu ulogu u regulisanju rada unutrašnjih organa i unutrašnje sredine organizma (Sl. 114). Kao i somatski nervni sistem, u osnovi je organizovan iz refleksnih lukova. Periferni motorni delovi VNS sastoje se iz preganglijskih i postganglijskih neurona. Tela preganglijskih neurona smeštena su u sivoj masi intermediolateralnih rogova kičmene moždine i u homologim motornim jedrima kranijalnih nerava. Njihovi aksoni su uglavnom mijelizovani, relativno sporo provode nervne impulse (B vlakna), a sinapse sa ćelijskim telima postganglijskih neurona uvek su lokalizovane izvan CNS. Aksoni postganglijskih neurona uglavnom su nemijelizovani, pripadaju C vlaknima, i završavaju se na efektorima visceralnih organa.

Anatomski, autonomna izlazna vlakna se dele na dve komponente: simpatički i parasimpatički nervni sistem. Simpatička komponenta omogućuje reakcije »borbe ili bega«, dok parasimpatička komponenta ima dominantnu ulogu u oporavku organizma. U vanrednim situacijama (borba, takmičenje, velike promene temperature, gubitak krvi itd.), organizam se suočava sa iznenadnim promenama u spoljašnjoj i unutrašnjoj sredini. Da bi odgovorio na takve situacije, organizam aktivira simpatičku komponentu VNS, što rezultira ubrzanjem srčanog rada, povećanjem minutnog volumena srca, vazokonstrikcijom krvnih sudova, mobilizacijom glukoze iz jetre, dilatacijom zenica, što omogućava brz odgovor organizma na poremećaj u spoljašnjoj ili unutrašnjoj sredini. Nasuprot tome, parasimpatička komponenta održava srčani rad, respiraciju i metabolizam u normalnim granicama aktivnosti. Pokazano je da simpatektomisana životinja može da živi ako se ne nadje u nekoj stresnoj situaciji, ali na poremećaj ne odgovara gore navedenim aktivnostima.

Beleške

1 1

VNS ima ulogu i u normalnim situacijama. Mnogi parasimpatički i simpatički putevi su tonički aktivni u cilju regulacije normalnog ponašanja i održavanja stalnosti unutrašnje sredine organizma.

VNS je organizovan iz 2(3) podsistema:(1) simpatička komponenta(2) parasimpatička komponenta(3) enterički nervni sistem (mnogi autori ga označavaju kao treću komponentu VNS).

Sl. 114. Simpatička i parasimpatička komponenta vegetativnog nervnog sistema

Simpatička komponenta. Aksoni simpatičkih preganglijskih neurona izlaze iz kičmene moždine kroz ventralne korenove spinalnih nerava od prvog torakalnog do trećeg ili četvrtog lumbalnog spinalnog nerva. Preganglijska vlakna ventralnim korenom izlaze iz kičmene moždine, ulaze u spinalni živac, a zatim se preko bele spajajuće grane odvajaju i ulaze u paravertebralnu simpatičku gangliju gde se prekopčavaju na postganglijske neurone čiji aksoni preko sive spajajuće grane ponovo ulaze u spinalni živac. Prekopčavanje ne mora da se izvrši u gangliji koja se nalazi u nivou segmenta kičmene moždine iz koga izlazi akson preganglijskog neurona, nego može kroz ganglijski

lanac da ode u paravertebralnu gangliju iznad (ispod) tog segmenta. Preganglijska vlakna se granaju na veći broj postganglijskih (1 : 10) koji ne moraju svi biti u istoj gangliji, što omogućuje difuzni karakter odgovora. Neka preganglijska vlakna neprekopčavajući se prolaze kroz paravertebralnu gangliju i odlaze do prevertebralne (kolateralne) ganglije koja se nalazi van simpatičkog lanca ganglija. To su celijačna ganglija i gornja i donja mezenterična ganglija. Preganglijska vlakna inervišu i srž nadbubrega čije ćelije razvojno i funkcionalno odgovaraju postganglijskim simpatičkim neuronima.

Parasimpatička komponenta. Kranijalni izlaz parasimpatičke komponente snabdeva visceralne strukture u glavi preko III, VII, i IX, a u toraksu i abdomenu preko X kranijalnog nerva. Sakralni izlaz snabdeva organe karlične duplje preko karličnih grana od drugog do četvrtog sakralnog spinalnog nerva. Ganglije se smeštene u blizini organa koji je inervisan ili u samom organu. Preganglijska vlakna su manje razgranata (1 : 3), pa je dejstvo diskretnije u odnosu na simpatičku komponentu.

Enterički nervni sistem. Enterički nervni sistem inerviše gastrointestinalni trakt, pankreas i žučnu kesu. Sastoji se iz tzv. mijenteričkog pleksusa (Auerbach-ov pleksus), smeštenog izmedju uzdužnih i središnjih kružnih mišića, i submukoznog pleksusa (Meissner-ov pleksus), smeštenog izmedju kružnih mišića i mukoze. Ova dva pleksusa medjusobno su povezana. Sadrže neurone koji inervišu glatku muskulaturu, sekretorne neurone koji regulišu endokrinu i egzokrinu sekreciju mukoze, i senzorne neurone koji reaguju na istezanje, toničnost, nivo glukoze, aminokiselina itd. Takođe, sadrže i interneurone.

Kod čoveka, ovaj sistem sadrži oko 80-100 miliona neurona. Supstance koje sekretuju ovi neuroni su NO, ACh, GABA, različiti polipeptidi (supstanca P, CCK, somatostatin, enkefalini, VIP...) Neke od ovih

supstanci funkcionišu kao klasični neurotransmiteri, druge difunduju u ECT i deluju parakrino, neke ulaze u krvotok i funkcionišu kao hormoni. Submukozni pleksus kontroliše egzokrinu i endokrinu sekreciju ćelija gastrointestinalnog trakta, a mijenterični pleksus je povezan sa kontrolom peristaltičke aktivnosti, tj. inerviše glatku muskulaturu.

Enterički nervni sistem funkcioniše autonomno, ali je kontrolisan i refleksno. Peristaltički pokreti su lep primer integrisane nervne aktivnosti enteričkog nervnog sistema. Peristaltički pokreti su refleksni odgovor koji se inicira kada zbog povećanog sadržaja u lumenu creva dodje do istezanja crevnog zida. Istezanje inicira kružnu kontrakciju iza mesta stimulacije i oblast relaksacije ispred. Smer je: oralno – kaudalno, sadržaj lumena se pomera od 2 do 25 cm/sekundi. Peristaltička aktivnost može da se poveća ili smanji dejstvom VNS, ali nastanak je nezavisan od spoljašnje inervacije.

Enterički nervni sistem kontrolisan je simpatičkom i parasimpatičkom komponentom. Preganglijska parasimpatička vlakna završavaju se na holinergičkim vlaknima u sklopu mijenteričkog i submukoznog pleksusa. Postganglijska simpatička vlakna završavaju se na postganglijskim holinergičkim neuronima pri čemu norepinefrin inhibiše aktivnost ovih neurona, ili direktno na glatkim mišićnim ćelijama čiju aktivnost takodje inhibišu. Druga simpatička vlakna inervišu krvne sudove gde izazivaju vazokonstrikciju.

Eferentna komponenta VNS je kontrolisana iz više delova CNS – kortkesa, hipokampusa, delova talamusa, bazalnih ganglija, malog mozga, retikularne formacije, pri čemu najveći deo ovih oblasti ostvaruje svoj uticaj preko hipotalamusa (integriše informacije u odgovarajuću aktivnost VNS). Iz hipotalamusa polaze putevi do jedara u moždanom stablu i kičmene moždine, koji kontrolišu preganglijske neurone uključene u termoregulacione

reakcije, srčani rad, krvni pritisak, respiraciju. Hipotalamus deluje i na endokrini sistem, a preko njega i na aktivnost autonomnih funkcija. Glavni koordinativni centar u moždanom stablu su jedra solitarnog trakta, koja primaju senzorne informacije iz najvećeg dela organa, a šalju informacije u više i niže moždane centre, odakle se informacije ponovo šalju u jedra solitarnog trakta, kao i jedra u nižim delovima moždanog stabla.

13.2. Hemijska transmisija u autonomnim ganglijama

Prenos na sinaptičkim spojevima između pre i postganglijskih neurona i između postganglijskih neurona i autonomnih efektora je hemijski posredovan. Glavni neurotransmiteri u VNS su ACh i norepinefrin (noradrenalin), i u zavisnosti od neurotransmitera koji se oslobađa, vlakna se mogu podeliti na holinergička, odnosno noradrenergička. Holinergička vlakna su sva preganglijska vlakna, zatim postganglijska parasimpatička vlakna, i postganglijska simpatička vlakna koja inervišu znojne žlezde, kao i krvne sudove u skeletnim mišićima. Noradrenergička vlakna su sva simpatička postganglijska vlakna.

Odgovor koji se u postganglijskim neuronima dobija stimulacijom njihove preganglijske inervacije može biti različit. Brza depolarizacija (brzi EPSP) nastaje u simpatičkim i parasimpatičkim ganglijama vezivanjem ACh za nikotinske receptore. Vezivanje ACh za muskarinske receptore rezultira sporom depolarizacijom (spori EPSP), do koje dolazi usled otvaranja Na+ i Ca2+-kanala, i zatvaranja K+-kanala koji se aktiviraju kada je membrana malo depolarisana, a njihovo zatvaranje izaziva dalju depolarizaciju. Jedan od odgovora je i produžena hiperpolarizacija (spori IPSP), koja nastaje otvaranjem K+-kanala, u simpatičkim i nekim parasimpatičkim ganglijama, i verovatno je prouzrokovana dopaminom

10 11

koga luče interneuroni unutar gangliona, a čiji su efekti posredovani D2 receptorom. Interneuroni koji luče dopamin su male ćelije u ganglijama, tzv. SIF ćelije. Svi opisani odgovori modulišu i regulišu prenos kroz sinpatičke ganglije. Još jedan odgovor koji se javlja je i pozni spori EPSP, čije se trajanje meri minutima, i koji dovodi do ponovljenog okidanja akcionih potencijala u postganglijskom neuronu. Izaziva ga neuropeptid sličan GnRH, vezivanjem za peptidergičke receptore na membrani postganglijskih neurona.

13.3. Dvojna inervacija efektornih organa

Glatki mišići u zidovima visceralne šupljine uglavnom su inervisani i noradrenergičkim i holinergičkim vlaknima, ali nema opšteg pravila koji sistem ima stimulatorno a koji inhibitorno dejstvo na efektorne organe.

U slučaju kardiovaskularnog sistema, krvni sudovi su uglavnom inervisani simpatičkom komponentom VNS, dok je srce dvojno inervisano. Noradrenergička vlakna su po funkciji vazokonstriktorna. Kao dodatak ovoj vazokonstriktorskoj inervaciji, krvni sudovi otpora u skeletnim mišićima su inervisani vazodilatatornim vlaknima koja su, iako idu simpatičkim nervima, holinergička (simpatički vazodilatacijski sistem). Krvni sudovi u srcu, plućima, bubrezima i uterusu takođe imaju i holinergičku inervaciju. U vazodilatacijskim vlaknima nema toničkog pražnjenja, ali vazokonstrikcijska vlakna u mnogim vaskularnim područjima imaju toničku aktivnost. U većini tkiva vazodilatacija nastaje smanjenjem frekvence toničkog pražnjenja u vazokonstrikcijskim nervima, mada u skeletnim mišićima može nastati i aktiviranjem simpatičkog vazodilatacijskog sistema. Što se tiče inervacije srca, impulsi koji noradrenergičkim simpatikusnim sistemom dolaze do srca povećavaju srčanu frekvencu i snagu srčane kontrakcije. Holinergički impulsi imaju suprotan efekat, i stimulacija nerva vagusa dovodi

do usporavanja srčanog ritma i smanjenja amplitude kontrakcije. Srčana simpatikusna nervna vlakna imaju u miru blago toničko pražnjenje, ali kod čoveka postoji dosta izraženo tonično vagusno pražnjenje.

Na nivou urogenitalnog sistema izdvajamo sledeće autonomne reflekse: refleks erekcije, podmazivanja i ejakulacije kod muškarca; refleks erekcije, podmazivanja i orgazma kod žene; refleks pražnjenja mokraćne bešike. Efektori mokraćne bešike, musculus detrusor vesicae (mišić zida mokraćne bešike) i musculus sphincter vesicae internus (unutrašnji sfinkter stezač) su dvojno inervisani. S druge strane, mišić sfinkter mokraćnog mehura je voljni, somatski mišić. Parasimpatička stimulacija vrši se preko vlakana nu. pelvicus. Pod uticajem parasimpatičkih nerava m. detrusor vesicae se kontrahuje, a unutrašnji sfinkter se inhibiše, što dovodi do njegove relaksacije i posledica je pražnjenje mokraćne bešike. Simpatička inervacija ova dva mišića vrši se preko vlakana plexus hypogastricus. Preganglijska nervna vlakna vode poreklo iz lumbalnog dela kičmene moždine, a završavaju se u mezenteričnoj gangliji u blizini mokraćnog mehura. Postganglijska vlakna inervišu oba efektora i to obrnuto parasimpatičkoj inervaciji. Pod uticajem simpatičke inervacije dolazi do relaksacije musculus detrusor vesicae i kontrakcije musculus sphincter vesicae internus. Simpatikus ne učestvuje u refleksu mokrenja, ali pomaže u kontroli unutrašnjeg sfinktera i određuje koliki će se pritisak u mehuru razviti pre nego što se mokraća odstrani kroz unutrašnji sfinkter. Pri punjenju mokraćne bešike dolazi do istezanja mišića, a to je stimulus za mehanoreceptore u m. detrusoru, odakle impuls putuje u sakralni deo kičmene moždine, pa zatim eferentnim parasimpatičkim vlaknima do mokraćnog mehura izazivajući njegovo pražnjenje. Međutim, ovaj automatski tonični refleks regulisan je i iz viših centara CNS, koji ga mogu facilitirati ili inhibisati, i to putem regulacije spoljašnjeg sfinktera bešike. U normalnim situacijama, ovaj sfinkter je tonično kontrahovan, pa viši centri tako održavaju refleks mokrenja inhibisanim, osim

u vreme voljnog pražnjenja mokraćnog mehura. Tada viši centri facilitiraju sakralne centre kičmene moždine za mokrenje.

Ceo gastrointestinalni trakt je inervisan parasimpatičkim i simpatičkim nervima koji mogu modulisati njegovu aktivnost. Stimulacija parasimpatičke komponente omogućuje apsorpciju i digestiju hrane jer povećava sekretornu aktivnost pljuvačnih žlezda, želuca, crevne mukoze, pankreasa, pojačava crevnu peristaltiku, relaksaciju pilorusa i intestinalnih sfinktera. Nasuprot tome, simpatička stimulacija smanjuje motilitet i sekretornu aktivnost i izaziva kontrakciju sfinktera. Simpatička stimulacija dolazi do izražaja u uslovima stresa.

U kontroli rada pljuvačnih žlezda, simpatička i parasimpatička komponenta nemaju antagonističko dejstvo na efektor, ali izazivaju sekreciju pljuvačke različitog sastava. Pod uticajem simpatičke komponente, luči se pljuvačka koja je gusta, rastegljiva, i bogata mucinima, a pod uticajem parasimpatičke komponente luči se tečna, serozna pljuvačka. Parotidne žlezde luče samo serozni sekret, submandibularne pretežno serozni, a sublingvalne pretežno mukozni sekret.

Pod uticajem hemijskog stimulusa (hrana), u hemoreceptorima sluzokože usta generišu se nervni impulsi. Aferentni putevi ovih refleksa predstavljaju tzv. specijalna aferentna visceralna vlakna u sklopu nerva facijalisa, glosofaringeusa i vagusa. Ova vlakna se završavaju u salivatornim jedrima na granici produžene moždine i ponsa. Eferentna preganglijska parasimpatička vlakna koja polaze iz gornjeg salivatornog jedra pripadaju n. facijalisu; ona se završavaju u submandibularnoj gangliji, a postganglijska vlakna inervišu submandibularnu i sublingvalnu pljuvačnu žlezdu. Eferentna preganglijska parasimpatička vlakna n. glosofaringeusa se završavaju u ganglionu oticumu, a odgovarajuća postganglijska vlakna

inervišu parotidnu žlezdu. Postganglijska simpatička vlakna polaze iz gornje cervikalne ganglije i inervišu sve tri pljuvačne žlezde.

Znojne žlezde su inervisane simpatičkim nervima, i za većinu znojnih žlezda su holinergička. Stimulacija preoptičke regije neposredno ispod hipotalamusa izaziva znojenje; impulsi se prenose do kičmene moždine, a zatim preko simpatičkih nerava do kože celog tela. Iako većina znojnih žlezda nema adrenergičku inervaciju, one se mogu stimulisati adrenalinom i noradrenalinom. Pretpostavlja se da znojne žlezde ruku i nogu imaju i adrenergičku inervaciju.

Promer zenice regulisan je pomoću dva mišića: (1) m. sphincter iridis, koji svojom kontrakcijom dovodi do suženja zenice i inervisan je parasimpatičkim vlaknima n. occulomotorius i (2) m. dilatator pupillae, koji svojom kontrakcijom dovodi do širenja zenice, i ima simpatičku inervaciju.

13.4. Simpatiko-adrenalna aktivacija

Stres je fiziološki odgovor organizma na faktore iz spoljašnje i unutrašnje sredine, koji prete da poremete ili remete homeostazu. Stresori su različiti stimulusi koji oštećuju ili mogu da oštete organizam, a izazivaju povećanu sekreciju ACTH iz adenohipofize. Međutim, pored sekrecije ACTH, stresna reakcija organizma praćena je i povećanjem aktivnosti simpatičke komponente koja uključuje i povećano oslobadjanje adrenalina i noradrenalina iz srži nadbubrega u opštu cirkulaciju. Ovo stanje označeno je kao simpatiko-adrenalna reakcija. Adrenergičko odašiljanje dilatira zenicu (više svetla ulazi u oči), ubrzava srčani rad i povećava krvni pritisak, utiče na prečnik krvnih sudova i time osigurava jaču cirkulaciju krvi kroz vitalne organe i mišiće, a smanjuje je u trbušnim organima i koži, dovodi do relaksacije

1 1

bronhijalne muskulature i širenja bronhija (omogućeno bolje provetravanje pluća), utiče na relaksaciju crevne muskulature, pospešuje mobilizaciju glikogena i masti i time povećava koncentraciju glukoze i slobodnih masnih kiselina u organizmu, čime se obezbeđuje energija. Pored toga, smanjuje se prag nadražaja retikularne formacije, čime se stimuliše povećano stanje budnosti i pripravnosti.

Parasimpatička inervacija VNS predstavlja kontrolni faktor u odnosu na promene koje je izazvao simpatikus, tj. kao «fiziološka kočnica». Na primer, usporava srčani rad, smanjuje krvni pritisak, podstiče lučenje želudačnog soka, varenje, apsorpciju hrane itd.

14Poglavlje 14.

CENTRALNA REGULACIJA VISCELARNIH FUNKCIJA

14.1. Funkcije produžene moždine

Produžena moždina se naziva “čvor života” jer se u njoj nalaze centar za disanje, centri kardiovaskularne regulacije, kao i centri alimentarnih i zaštitnih refleksa.

14.1.1. Kontrola respiracije

Ciklus disanja obuhvata inspirium (udah) i ekspirium (izdah) koji se kod odraslog čoveka smenjuju u ritmu od 12 do 18 u minuti. Deca imaju veću frekvencu disanja: od 20 do 35 puta u minuti. Pri udahu se povećava zapremina grudnog koša, smanjuje se pritisak u plućima i vazduh u njih ulazi pasivno. Dijafragma i spoljašnji međurebarni mišići su inspiracioni mišići, jer su aktivni tokom udaha i njihovom kontrakcijom dolazi do podizanja rebara i širenja grudnog koša. Kontrakcija unutrašnjih međurebarnih mišića i mišića trbušnog zida koji predstavljaju ekspiracione mišiće omogućava

skupljanje grudnog koša, u plućima se povećava pritisak i vazduh izlazi iz pluća u sredinu gde je pritisak manji. Odnosno, dolazi do izdaha.

Dva odvojena nervna mehanizma regulišu disanje. Voljni sistem lociran je u moždanoj kori i šalje impulse na respiratorne motoneurone preko kortikospinalnog trakta. Automatski sistem lociran je u produženoj moždini i ponsu i spontana ritmička okidanja u neuronima ovih centara obezbedjuju automatsku kontrolu disanja. Eferentna vlakna iz centra za disanje lociranog u produženoj moždini konvergiraju na motoneurone koji kontrolišu inspiracione, odnosno ekspiracione mišiće. Postoji recipročna inervacija koja je uključena u silazne puteve do odgovarajućih motoneurona. Naime, motoneuroni koji inervišu ekspiracione mišiće su inhibisani dok su motoneuroni koji inervišu inspiracione mišiće aktivni, i obrnuto. Eferentna nervna vlakna koja posreduju u udahu, konvergiraju na motoneurone čija se tela nalaze u ventralnim stubovima sive mase kičmene

1 1

moždine u segmentima C3 do C5 iz koji polazi n. phrenicus, i na motoneurone u ventralnim stubovima sive mase duž torakalnog dela. Eferentna vlakna koja posreduju u izdahu konverguju na motoneurone čija su tela smeštena u torakalnom delu kičmene moždine. Modulacija aktivnosti automatskog centra za disanje vrši se refleksnim putem.

Automatski centarJoš pre više od 70 godina bilo je poznato da produžena moždina ima ključnu ulogu u ritmičkoj kontroli respiratorne muskulature, ali ni danas nisu u potpunosti objašnjeni mehanizmi funkcionisanja respiratornog centra. Eksperimenti u kojima su vršeni preseci na različitim nivoima moždanog stabla (videti sliku 115) ukazali su na njihovu ulogu u kontroli respiracije. Kada se izvrši presek A ostaje očuvano automatsko disanje i u slučaju preseka nerva vagusa, što znači da refleksna regulacija nije neophodna ako je očuvana veza ponsa sa produženom moždinom. Ako se izvrši presek B disanje ostaje očuvano samo ukoliko je moguća refleksna regulacija disanja, odnosno vagusna kontrola. U protivnom, disanje se prekida u inspirijumu, i to se naziva apneuzis. Ako se produžena moždina odvoji od ponsa (presek C) disanje se nastavlja i kada se preseče nerv vagus, što znači da se respiratorni centar nalazi u produženoj moždini. Odvajanjem kičmene od produžene moždine (presek D) disanje prestaje.

U produženoj moždini nalazi se respiracioni centar koji se sastoji od dve grupe neurona (Sl. 115). Dorzalna grupa neurona locirana je u blizini i u nukleusu trakta solitarijusa (nu.tractus solitarius), a ventralna grupa neurona formira dugačak stub koji se proteže kroz nukleus ambigus (nu. ambiguus, deo jedarskog kompleksa IX i XII lobanjskog nerva) i nukleus retroambigus u ventrolateralnom delu produžene moždine. Dorzalna grupa neurona sadrži uglavnom inspiracione neurone, od kojih se neki projektuju direktno na motoneurone koji

su u sastavu n.frenicus. Ventralna grupa neurona sadrži i inspiracione i ekspiracione neurone, tj. one koji su aktivni tokom udaha i one koji su aktivni tokom izdaha. Ne zna se tačan mehanizam odgovoran za spontanu genezu akcionih potencijala u neuronima produžene moždine. Naime, smatra se da ventralna i dorzalna grupa neurona nisu obavezan deo generatora akcionih potencijala, jer selektivne lezije u jednom i drugom redukuju amplitudu disanja, ali ga ne ukidaju. Istraživanja ukazuju da je generator akcionih potencijala koji iniciraju respiratorni ritam, mala grupa sinaptički povezanih spontano aktivnih neurona koji se nalaze između nukleusa ambigusa i lateralnog retikularnog nukleusa (nu.reticularis lateralis). Ovi neuroni karakterišu se pojavom prepotencijala, odnosno predstavljaju spontano aktivne centralne neurone.

Aktivnost respiratornog centra modifikuje se pneumotaksičnim centrom koji se nalazi u dorzolateralnom

delu ponsa u medijalnom parabrahijalnom nukelusu. Pneumotaksični centar sadrži i inspiracione i ekspiracione neurone, kao i neurone koji su aktivni tokom obe faze disanja. Ukoliko se izvrši lezija pneumotaksičnog centra, disanje postaje sporije, i ukoliko se preseče nerv vagus, dolazi do inspiracionog spazma, poznatog kao apneuzis. Stoga se ranije smatralo da ispod pneumotaksičnog u ponsu postoji i apneustički centar koji kontroliše udah, ali to nije potvrđeno, pa je predpostavka o postojanju apneustičkog centra napuštena. Ne zna se tačno šta je funkcija pneumotaksičnog centra, ali se smatra da funkcioniše kao prekidač koji omogućava smenu inspirijuma i ekspirijuma.

Hemijska kontrola disanja

Sl. 116 Lokacija karotidnih i aortnih tela slika

Hemijski regulatorni mehanizmi prilagođavaju ventilaciju tako da se u alveolarnom vazduhu obezbeđuju normalne vrednosti parcijalnog pritiska CO2, podiže

parcijalni pritisak O2 kada se on smanji, reguliše višak H+ u plazmi. Veza izmedju metabolizma i respiracije je CO2. Receptori u karotidnim i aortnim telašcima (Sl. 116) stimulisani su povećanjem parcijalnog pritiska CO2, smanjenjem parcijalnog pritiska O2 ili povećanjem [H+]. Svako karotidno ili aortno telašce sadrži ostrvca od 2 tipa ćelija (I i II) (Sl. 117). Tip I su ćelije koje se nalaze u sinaptičkom kontaktu sa aferentnim senzitivnim neuronima. Receptori u karotidnim telašcima inervisani su aferentnim vlaknima koja ulaze u sastav IX, a receptori u aortnim telašcima inervisani su senzitivnim neuronima koji su u sastavu nerva vagusa. Ovi receptori sadrže O2-senzitivne K+-kanale čija se provodljivost redukuje srazmerno stepenu hipoksije. To redukuje ulaz K+, depolariše membranu i omogućava ulaz Ca2+ kroz L-tip kanala i egzocitozu neurotransmitera, najverovatnije dopamina, koji izaziva aktivaciju aferentnih neurona. Senzitivni neuroni odlaze do dorzalne grupe neurona u okviru respiratornog centra u produženoj moždini. Ove receptore aktivira nizak parcijalni pritisak O2, kao i smanjen dotok O2 u jedinici vremena, ukoliko dođe do zastoja u protoku krvi. Takođe, visoke doze nikotina mogu da stimulišu ove receptore.

Sl. 117. Organizacija karotidnog telašca. Tip I ćelije sadrže kateholamine. Kada se izlože hipoksiji, oslobađaju kateholamine koji stimulišu nervne završetke senzitivnih neurona koji IX nervom

odlaze u produženu moždinu.

Sl. 115. Respiratorni neuroni na nivou produžene moždine i ponsa. Slova A – D označavaju mesto transekcije moždanog stabla (presek A: presek na gornjoj granici ponsa; presek B: u nivou ponsa ispod parabrahijalnog nukleusa; presek C: između ponsa i produžene moždine; presek D: između produžene i kičmene moždine). DRG – dorzalna grupa respiratornih neurona; VRG – ventralna grupa respiratornih neurona; NPBL – parabrahijalni nukleus

(pnumotaksični centar); 4m.k. – četvrta moždana komora.

1 1

Hemoreceptori postoje i u nivou produžene moždine, odvojeni su od dorzalnih i ventralnih respiratornih neurona i smešteni su na ventralnoj površini produžene moždine. Oni reaguju na povećanje koncentracije H+ u cerebrospinalnoj tečnosti i međućelijskoj tečnosti u mozgu. Naime, CO2 koji dospe u mozak i cerebrospinalnu tečnost se vrlo lako hidratiše i nastaje ugljena kiselina koja disocira na HCO3 i H

+. Stoga raste lokalna koncentracija H+. Koncentracija H+ u međućelijskoj tečnosti i mozgu prati na taj način arterijski parcijalni pritisak CO2. Aktivacija receptora izaziva povećanu respiraciju.

Refleksna kontrola disanjaReceptori u plućima su mehanoreceptori i po građi su slični proprioreceptorima u mišićima. Inervisani su mijeliziranim i amijeliziranim nervnim vlaknima. Amijelizirana vlakna su C vlakna. Receptori inervisani mijeliziranim vlaknima dele se u dve grupe: sporo-adaptirajući i brzo-adaptirajući receptori na osnovu toga da li produžena stimulacija rezultira produženim ili prolaznim okidanjem akcionih potencijala u odgovarajućim senzitivnim neuronima. Adekvatan stimulus za ove receptore je istezanje. Naime, širenje pluća prilikom udaha dovodi do aktivacije receptora i dolazi do geneze akcionih potencijala u senzitivnim neuronima u sklopu nerva vagusa. Ove informacije se prenose najverovatnije do pneumotaksičnog centra, što rezultira prekidom udaha i započinjanjem izdaha. Kada se zbog izdaha zapremina pluća smanji, ukida se stimulacija mehanoreceptora i prekida se aktivacija pneumotaksičnog centra. Skraćenje inspirijuma izaziva vagusna aktivacija posredovana sporo-adaptirajućim receptorima. Ova refleksna aktivnost označena je kao Hering-Brajerov refleks. Postoje Hering-Brajerov refleks naduvavanja, i Hering-Brajerov refleks izduvavanja. Prvi rezultira produženim ekspirijumom zbog stalnog naduvavanja pluća, a drugi je rezultat kolabiranja pluća, odnosno izduvavanja i rezultira produženim inspirijumom. Naime, konstatovano je da u plućima postoje mehanoreceptori koji se aktiviraju pri kolabiranju pluća naročito pri forsiranom

ekspirijumu. Brzo-adaptirajući receptori mogu da se aktiviraju dejstvom histamina, i aktivacija ovih receptora u traheji izaziva kašljanje, bronhokonstrikciju i sekreciju sluzi, dok aktivacija ovih receptora u plućima može da izazove hiperpneu.

Modulaciju frekvence disanja mogu da izazovu bol i emocije, što znači da putevi iz limbičkog korteksa i hipotalamusa stižu u respiratorni i/ili pneumotaksični centar. Voljna kontrola disanja odvija se preko kortiko-spinalnog trakta. Kako su nervni putevi voljnog i automatskog disanja razdvojeni, moguće je da dođe do poremećaja automatskog disanja, dok voljno ostaje očuvano. Ovakvo kliničko stanje naziva se Ondinina kletva. Prema nemačkoj legendi, Ondina je bila vodena nimfa koja se zaljubila u smrtnika. Kralj vodenih nimfi ju je kaznio, tako što je bacio kletvu na njenog ljubavnika, rekavši da će moći da diše dok ne zaspi, odnosno oduzeo mu je automatsku kontrolu disanja. Tačka prekida je trenutak kada svojevoljno ne može dalje da se održava prekid disanja. Udisanje čistog kiseonika pre voljnog zaustavljanja disanja produžava vreme prekida disanja.

14.1.2. Kardiovaskularna regulacija

Kardiovaskularna regulacija obuhvata kontrolu srčanog rada i promera krvnih sudova. Srčanu frekvencu kontrolišu parasimpatička i simpatička komponenta vegetativnog nervnog sistema. Promer krvnih sudova reguliše se lokalno, sistemski, a glavni kontrolni mehanizam jeste nervna kontrola iz automatskog centra koji je smešten u produženoj moždini.

Periferni i sistemski vazodilatatori i vazokonstriktori Lokalna regulacija promera krvnih sudova predstavlja dejstvo različitih metabolita u krvi, kao i hemijskih faktora koji se sintetišu od strane endotelijalnih ćelija krvnog suda. Sistemska regulacija podrazumeva dejstvo različitih hormona koji se nalaze u sistemskoj cirkulaciji.

Metaboliti u krvi, kao što su povećan parcijalni pritisak CO2, smanjen parcijalni pritisak O2 ili povećana koncentracija H+ u krvi, odnosno smanjenje pH krvi, izazivaju lokalnu vazodilataciju. Takodje, i povećanje temperature nekog dela tela može da izazove lokalnu vazodilataciju krvnih sudova. Vazodilataciju izazivaju takodje i histamin i adenozin. Snažan lokalni vazokonstriktor je endotelin koga produkuju endotelijalne ćelije, a vazokonstrikciju izazivaju i serotonin, sniženje temperature, kao i supstance koje sekretuju endotelijalne ćelije krvnih sudova. One produkuju veći broj vazoaktivnih supstanci kao što su prostaciklini koji izazivaju vazodilataciju i tromboksan A2 koji izaziva vazokonstrikciju. Ova jedinjenja deluju lokalno na mestu sekrecije. Veoma značajnu ulogu u lokalnoj regulaciji promera krvnih sudova, sa izrazito vazodilatirajućim dejstvom, ima relaksirajući faktor poreklom iz endotela (engleski: endotelium-derived relaxing factor, EDRF) za koji je utvrdjeno da je NO. Stvara se u endotelnim ćelijama katalitičkom aktivnošću Ca2+-zavisne NO-sintaze. NO se sintetiše iz arginina. Iz endotelijalnih ćelija odlazi u glatke mišićne ćelije gde aktivira sGC koja katališe sintezu cGMP koji aktivira protein kinazu G. Fosforilacija odgovarajućeg supstrata dovodi do relaksacije glatkih mišića.

Sistemski vazodilatatori su bradikinin i kalidin, VIP, dok su vazokonstriktori vazopresin, norepinefrin, epinefrin i angiotenzin II.

Vazomotorni centar Postganglijska vlakna simpatičke komponente vegetativnog nervnog sistema inervišu krvne sudove. Arteriole i otpornički krvni sudovi su najviše inervisani, ali svi krvni sudovi izuzev kapilara i venula sadrže glatke mišiće koji su inervisani vlaknima simpatičke komponente. Vlakna koja inervišu tzv. otporničke sudove regulišu tok krvi i arterijski pritisak, a vlakna koja inervišu vene (tzv. kapacitativni sudovi) menjaju zapreminu krvi koja se “magazionira” u venama. To je tzv. simpatički vazokonstriktorni sistem koji

je tonički aktivan. Postoji i tzv. simpatički vazodilatatorni sistem koji ima holinergička postganglijska vlakna, a inerviše otporničke sudove u skeletnim mišićima. Postoje podaci da takva inervacija postoji i kod krvnih sudova u srcu, plućima, bubrezima i uterusu, ali nije tonički aktivna. Vazokonstriktorna postganglijska noradrenergička vlakna pored norepinefrina sadrže i neuropeptid Y, dok vazodilatatorna postganglijska holinergička pored ACh sadrže i VIP.

Automatski vazomotorni centar nalazi se u rostralnom ventrolaterlanom delu produžene moždine (118). Sačinjavaju ga neuroni koji su spontano aktivni i koji se projektuju direktno na preganglijske neurone u kičmenoj moždini, a ovi na postganglijske noradrenergičke koji inervišu glatke mišiće krvnih sudova. Povećana aktivnost

Sl. 118. Vazomotorni centar i refleksna regulacija njegove aktivnosti. NTS – nukleus trakta solitarijusa; RVLM – rostralni ventrolateralni deo produžene moždine; (1) – tela preganglijskih simpatičkih

neurona; (2) postganglijska simpatička vlakna.

1 1

vazomotornog centra rezultira vazokonstrikcijom, jer se povećava frekvenca okidanja postganglijskih simpatičkih neurona. Nasuprot tome, smanjenja aktivnost vazomotornog centra izaziva smanjenje simaptičko-vazokonstriktornog tonusa i vazodilataciju krvnih sudova.

Refleksna regulacija, baroreceptoriMehanoreceptori koji se aktiviraju pri povišenom krvnom pritisku usled istezanja krvnih sudova nalaze se u zidu srca i krvnih sudova. Slični su Goldžijevom tetivnom organu. Oni koji se nalaze u karotidnom sinusu i luku aorte kontrolišu arterijsku cirkulaciju. Ima ih i u zidu leve i desne pretkomore, zidu leve komore i u plućnoj cirkulaciji. Istezanje struktura u kojima su baroreceptori smešteni, rezultira njihovom aktivacijom, i frekvenca okidanja impulsa u senzitivnim neuronima raste. Iz karotidnog sinusa impulsi idu IX živcem, a iz aortnog luka nervom vagusom do nukleusa trakta solitarijusa. Odatle se u vazomotorno područje projektuju neuroni koji preko gabanergičkih inhibitornih interneurona inhibišu aktivnost vazomotornog centra. Istovremeno se usporava srčani rad jer se pojačava tonus parasimpatičke komponente koja u sastavu nerva vagusa inerviše srce. Pri normalnom krvnom pritisku aferentna vlakna koja polaze od baroreceptora okidaju malom frekvencom, dok povećanje pritiska u karotidnom sinusu i aortnom luku povećava frekvencu okidanja.

Na aktivnost vazomotornog centra direktno utiču povećan parcijalni pritisak CO2 i hipoksija. Takođe, nervni putevi iz limbičkog korteksa preko hipotalamusa dovode do povećanja aktivnosti vazomotornog centra što izaziva porast krvnog pritiska, i tahikardiju. Takva aktivnost može da nastane pri seksualnom uzbuđenju, ali i besu. Bolni stimulusi takođe mogu da dovedu do povećanja aktivnosti vazomotornog centra. Informacije iz korteksa koje stižu preko hipotalamusa mogu da dovedu do inhibicije vazomotornog centra i vazodilatacije krvnih sudova, odnosno pada krvnog pritiska.

Regulacija srčanog radaNervom vagusom dolaze preganglijska parasimpatička vlakna do srca, gde se prekopčavaju na postganglijska holinergička vlakna. Tela preganglijskih neurona nalaze se u nukleusu ambigusu i dorzalnom motornom nukleusu nerva vagusa. Ova dva nukleusa su inhibitorna područja u odnosu na srčani rad, jer aktivnost ovih nukleusa određuje tonus preganglijskih parasimpatičkih vlakana u okviru nerva vagusa (Sl. 119). Toničko okidanje preganglijskih neurona u miru obezbeđuje odgovarajuću frekvencu srčanog rada. Povećana aktivnost baroreceptora preko nukleusa trakta solitarijusa povećava aktivnost navedenih inhibicijskih područja, i dolazi do usporenja srčanog rada. Pri padu krvnog pritiska može da se javi tahikardija, jer se smanjuje tonus parasimpatikusa i povećava tonus simpatičkih nerava u srcu.

Sl. 119. Kontrola srčanog rada parasimpatičkom komponentom u sklopu nerva vagusa. NA – nukleus ambigus; DMN – dorzalni motorni nukleus nerva vagusa; NTM – nukleus trakta solitarijusa;

Simpatikovazodilatatororni sistemHolinergička vazodilatatorna vlakna polaze iz moždane kore, prekopčavaju se u hipotalamusu i mezencefalonu,

a zatim bez prekida silaze kroz kičmenu moždinu do preganglijskih simpatičkih vlakana koja se prekopčavaju na postganglijska holinergička vlakna. Stimulacija ovog sistema izaziva vazodilataciju krvnih sudova u skeletnim mišićima. Kod pasa i mačaka u stanjima kao što su bes i strah ovaj sistem pojačano odašilje impulse, što izaziva naglo smanjenje perifernog otpora. Kod čoveka uloga ovog sistema nije jasna, ali je pokazano da je odgovoran za nastanak nesvestice kod raznih emocija.

14.1.3. Zaštitni i alimentarni refleksi

U produženoj moždini nalaze se centri zaštitnih i alimentarnih refleksa. U njih su uključene senzitivne i motorne komponente kranijalnih nerava. Kornealni refleks spada u red odbrambenih refleksa. Njegova aktivacija štiti oko od povrede, jer dolazi do zatvaranja očnog kapka. Ovaj refleks ukazuje i na funkcionalno stanje produžene moždine pa se prati, na primer, tokom anestezije. Refleks se ostvaruje na sledeći način. Receptori u rožnjači reaguju na mehaničke stimuluse, a senzitivni neuroni u sklopu IX nerva idu do produžene moždine, gde u nukleusu ovog nerva aktiviraju odgovarajuće motoneurone. Informacije se šalju na efektorne mišiće i dolazi do zaklapanja očnog kapka. Refleks suzenja je takođe odbrambeni refleks. Aktivacija mehanoreceptora oka izaziva aktivaciju senzitivnih neurona u sklopu nerva facijalisa. Impulsi idu do nukleusa ovog živca gde se signal prenosi na motoneurone koji inervišu suzne žlezde, i dolazi do lučenja suza. Fiziološki smisao ovog refleksa jeste otklanjanje stranog tela iz oka.

Refleks kašljanja i kijanja ima receptornu komponentu u sluzokoži farinksa i u nosu. Senzitivna vlakna u sklopu nerva vagusa prenose signal u produženu moždinu, a odatle na motoneurone V, IX i X kranijalnog nerva koji inervišu mišiće gornjih disajnih puteva. Pri kašljanju se pokreće niz događaja. Prvo dolazi do udaha, zatim

se snažno grče trbušni mišići i potiskuje dijafragma, a kontrahuju se i unutrašnji međurebarni mišići. To izaziva povećanje pritiska u plućima, epiglotis se naglo otvara i vazduh eksplozivno izlazi iz pluća brzinom i do 965 km/h. Kijanje je sličan ekspiracioni napor sa stalno otvorenim epiglotisom, a javlja se u odgovor na aktivaciju nociceptivnih receptora u nosu. Fiziološki smisao ovih refleksa jeste otklanjanje iritirajućih stranih tela iz respiratornih puteva.

Refleksi žvakanja, sisanja, gutanja, povraćanja spadaju u alimentarne reflekse. Biće opisan refleks povraćanja. Aferentni impulsi stižu u produženu moždinu iz različitih delova digestivnog trakta uglavnom nervom glosofaringeusom i nervom vagusom. Refleks povraćanja može da se javi i u odgovor na aktivaciju receptora u čulu ravnoteže. Centar ovog refleksa nalazi se u dorzalnom delu motornog jedra nerva vagusa. Efektori su mišići abdomena i dijafragme. Eferentni putevi mogu da idu X, V, VII, IX i XII kranijalnim živcem.

14.2. Funkcionalna organizacija hipotalamusa

Sl. 120. Hipotalamus. Detalji u tekstu.

10 11

Hipotalamus predstavlja deo diencefalona (Sl. 120). Obuhvata jedra koja grade pod i donje delove bočnih zidova treće moždane komore. Rostralno je ograničen optičkom hijazmom, a kaudalno se završava neposredno iza mamilarnih tela. Dno treće moždane komore sa ventralne strane formira levkasto udubljenje – infundibulum koje se pruža na dole formirajući hipofiznu dršku. U nivou infundibuluma nalazi se eminencija medijana, neurohemalni organ gde aksoni mnogih hipotalamičnih neurona oslobađaju u portalnu cirkulaciju neuropeptide koji kontrolišu rad adenohipofize (videti poglavlje 17). Hipotalamus može da se podeli na medijalnu i lateralnu oblast (Sl. 121). U medijalnoj oblasti razlikuju se anteriorna grupa nukleusa, tuberalna grupa nukleusa i posteriorna grupa nukleusa. U anteriornu spadaju preoptički medijalni nukleus, anterironi hipotalamični nuklus, suprashijazmatični nukleus (NSCH), supraoptički nukleus (NSO) i paraventrikularni nukleus (NPV). Tuberalnu grupu nukleusa čine ventromedijalni nukleus (NVM), dorzomedijalni nukleus (NDM) i arkuatni nukleus (ARC) koji leži neposredno iznad eminencije medijane. Posteriornu grupu nukleusa čine mamilarna tela. Lateralna oblast je dosta neizdiferencirana. Formira bočne granice medijalnog hipotalamusa, a sadrži nukleuse rasute između aferentnih i eferentnih vlakana medijalnog prozencefaličnog snopa (engleski: medial forbrain bundle, MFB).

Hipotalamus se karakateriše bogatsvom aferentnih i eferentnih veza sa ostalim delovima CNS. Većina vlakana su nemijelizirana vlakna. MFB povezuje limbički režanj i mezencefalon preko lateralnog hipotalamusa. Forniks sadrži aferentna vlakna koja povezuju hipokampus sa mamilarnim telima hipotalamusa. Stria terminalis je put u kome aferentna vlakna iz amigdaloidnih jedara dolaze do ventromedijalne zone hipotalamusa. Retinohipotalamički trakt sačinjavaju ogranci aksona u sastavu optičkih nerava koji se odvajaju u nivou optičke hijazme. Unutar hipotalamusa, postoji tubero-

infundibularni dopaminergički trakt koji povezuje arkuatni nukleus i eminenciju medijanu.

14.3. Vegetativne funkcije hipotalamusa

Mehanizmi koji obezbedjuju hemijsku stalnost unutrašnje sredine organizma i termoregulaciju smešteni su na nivou hipotalamusa. Tu se nalaze centri koji regulišu unos hrane, vode i centar za termoregulaciju.

14.3.1. Kontrola uzimanja hrane

Telesna masa odredjena je balansom izmedju unosa hrane i energetske potrošnje (na bazi dnevnog unosa, i dugoročno). Ako se životinja forsirano hrani, masa joj se povećava, a ako se izgladnjuje, masa joj se smanjuje. Međutim, ako joj se dozvoli unos hrane po potrebi ona će se vratiti na normalnu telesnu masu.

Centar za glad nalazi se u lateralnom hipotalamusu, a u ventromedijalnom nukleusu (NVM) nalazi se centar za sitost. Centar za glad je stalno aktivan, a inhibiše ga centar za sitost koji se povremeno uključuje. Lezije centra za glad izazivaju anoreksiju, a lezije centra za

sitost izazivaju preterano uzimanje hrane. Postoji veći broj mehanizama koji kontrolišu unos hrane na dnevnoj, ili dugoročnoj osnovi. Ovde će biti dat koncizan pregled mogućih mehanizama kontrole unosa hrane.

Glukostatska hipoteza govori o uticaju nivoa glukoze na aktivnost centra za sitost. Naime, povećanje nivoa glukoze u krvi nakon obroka dovodi do povećanog iskorišćavanje glukoze u ćelijama centra za sitost. Dolazi do njegove aktivacije, a on inhibiše centar za glad. Ovde treba naglasiti da je ulaz glukoze u neurone centra za sitost zavisan od insulina.

Lipostatska hipoteza ukazuje na ulogu masnog tkiva koje produkuje hormon leptin. Pri povećanom unosu hrane i smanjenoj potrošnji energije dolazi do povećanja masnih depoa u organizmu. To rezultira povećanom sintezom leptina koji putem krvi dolazi do hipotalamusa i izaziva aktivaciju receptora za leptin. Aktivacija ovih receptora izaziva smanjenje unosa hrane. Ovo je rezultat ili inhibicije centra za glad, ili aktivacije centra za sitost. Receptori za leptin prisutni su u velikom broju u arkuatnom nukleusu. Mutacija u genu za leptin dovodi do pojave gojaznosti kod eksperimentalnih miševa sa ovom mutacijom (miševi ob/ob). Ovi miševi nemaju leptin i postaju debeli i dijabetični. Mutacija u genu za receptor takođe dovodi do gojaznosti. U ovom slučaju miševi imaju hormon leptin, ali pošto su receptori neodgovarajući nema mogućnosti kontrole unosa hrane (miševi db/db). Kod ljudi gojaznost se javlja na bazi mutacije db/db.

Grelin – “hormon gladi” sintetiše se najviše u želucu, ali i u crevima, placenti, hipofizi, i hipotalamusu. Njegova sekrecija je izazvana akutnim i hroničnim promenama u nutritivnom statusu organizma. Predpostavlja se da grelin antagonizuje dejstvo leptina u cilju sprečavanja deficita energetskih rezervi organizma pri gladovanju i kaheksiji (pothranjenosti). Pored toga, utiče na sekreciju hormona rasta.

Gastrointestinalni hormon, holecistokinin (CCK), ima anorektični karakter. Deluje najverovatnije preko viscelarnih receptora, jer se vagotomijom efekat smanjuje. Postoje i receptori za CCK u hipotalamusu, tj. ovaj hormon digestivnog trakta može da ima i centralni efekat.

Poznato je iz svakodnevnog života da je unos hrane povećan pri niskim, a smanjen pri visokim spoljašnjim temperaturama.

Kontrola mrkog masnog tkiva od strane simpatičkog nervnog sistema može da ima udela u regulaciji unosa hrane. Ovo tkivo nalazi se izmedju lopatica, na potiljku, duž krvnih sudova u toraksu i abdomenu. U ovom tkivu i masne ćelije i krvni sudovi imaju bogatu inervaciju. Mrke masne ćelije sadrže mitohondrije koje u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani sadrže specifične proteine koji omogućavaju prolaz H+. Stoga ne dolazi do formiranja protonskog gradijenta i ne sintetiše se ATP, odnosno prenos elektrona duž respiratornog niza nije praćen oksidativnom fosforilacijom. Stimulacija simpatikusa izaziva u ovim ćelijama lipolizu i β-oksidaciju masnih kiselina. Znači, variranje simpatičke stimulacije mrkog masnog tkiva može da dovede do variranja u efikasnosti iskorišćavanja unete hrane. Posle jela, povećana je simpatička stimulacija mrkog masnog tkiva, što znači da se smanjuje energetska efikasnost unete hrane. Ovo tkivo aktivira se simpatičkom stimulacijom i u odgovor na hladnoću. Kod životinja sa lezijama NVM, odnosno lezijom centra za sitost, nema povećane simpatičke aktivnosti posle unošenja hrane. Povećava se stepen iskorišćenosti hrane što vodi gojaznosti, dok je odgovor na hladnoću normalan. To znači da je simpatička stimulacija koja se javlja nakon obroka rezultat aktivnosti centra za sitost.

Aktivnost centra za sitost i centra za glad mogu da modifikuju mnogi neurotransmiteri. U medijalnom hipotalamusu, aktivacija α-adrenergičkih receptora

Sl. 121. Hipotalamus sa naznakom pojedinih oblasti i nukleusa.

1 1

povećava apetit, što znači da se blokira centar za sitost. Aktivacija β-adrenergičkih receptora u lateralnom hipotalamusu smanjuje apetit, što znači da dolazi do blokade centra za glad. Amfetamin i drugi lekovi koji se koriste u programima redukcije težine deluju na lateralni hipotalamus.

14.3.2. Kontrola uzimanja vode

Lezije odredjenih delova lateralnog hipotalamusa, iza centra za glad, dovode do prestanka uzimanja tečnosti, što ukazuje na prisustvo centra za žedj u tom delu hipotalamusa. Uzimanje vode je regulisano osmolarnošću plazme i smanjenjem volumena ECT (i bez povećanja osmotskog pritiska). Na primer, injiciranje hipertoničnog rastvora u anteriorni hipotalamus nagoni životinju da pije, jer se aktiviraju osmoreceptori. Smanjen volumen ECT stimuliše centar za žedj preko renin-angiotenzin sistema. Renin se sintetiše u jukstaglomerularnim ćelijama (jukstaglomerulani aparat ) bubrega koje su inervisane simpatičkim postganglijskim vlaknim. Uslovi koji dovode do sekrecije renina su: smanjenje Na+ u plazmi, diuretici, hipotenzija, uspravan položaj, dehidratacija, kao i razni psihološki stimulusi. Renin je hormon bubrega, a deluje kao enzim katališući transformaciju angiotenzinogena (protein u plazmi) u angiotenzin I (dekapeptid odvojen od prekursorske molekule koja sadrži 453 AK). Angiotenzin I pod dejstvom enzima angiotenzin-konvertujući enzim (ektoenzim endotelijalnih ćelija krvnih sudova) prelazi u aktivnu formu angiotenzin II koji preko specifičnih receptora na nivou neurohemalnih organa: subfornikalni organ (SF) i organum vasculosum lamine terminalis (OVLT) dovodi do nervne aktivnosti koja stimuliše ćelije centra za žedj.

Postoje i drugi faktori koji regulišu žedj. Na primer, sušenje faringijalne mukozne membrane izaziva osećaj žedji. Takođe, dehidrirani psi, mačke, kamile veoma brzo

piju vodu da nadoknade tečnost, i prestaju sa pijenjem pre no što voda stigne u ECT, tj. dok su još hipertonični. Ne zna se mehanizam ove pojave.

14.3.3. Termoregulacija

Glavni mehanizmi stvaranja toplote u organizmu jesu mišićni rad i oksidativni metabolizam.

Gubljenje toplote dešava se radijacijom, kondukcijom, vaporizacijom vode iz disajnih puteva i kože, nešto malo urinom i fecesom. Poznato je da psi dahtanjem gube deo toplote. Ravnoteža izmedju stvaranja i odavanja toplote odredjuje telesnu temperaturu. Kod ptica i sisara (homeotermi-endotermi) niz refleksnih reakcija integrisanih u hipotalamusu dejstvuje u cilju održanja telesne temperature unutar uskih granica, uprkos fluktuacijama u spoljnoj sredini. Postoji cirkadijalni ritam telesne temperature, ujutro je najniža, uveče najviša.

Mehanizmi koji obezbedjuju održavanje telesne temperature obuhvataju autonomne, somatske i endokrine reakcije, kao i promene ponašanja.

Mehanizmi koje aktivira hladnoća su povećano stvaranje toplote s jedne, i smanjen gubitak toplote. To se ostvaruje na sledeći način. Drhtanje, glad, pojačana voljna aktivnost, povećana sekrecije noradrenalina i adrenalina, povećana sekrecija TSH obezbeđuju povećano stvaranje toplote. Vazokonstrikcija u koži, stiskanje, ježenje jesu mehanizmi sprečavanja odavanja toplote iz organizma.

Mehanizmi koje aktivira toplota treba da omoguće povećan gubitak toplote, kao i smanjeno stvaranje toplote. Vazodilatacija u koži, znojenje, pojačano disanje su odgovori na povećanu spoljnu temperaturu, što obezbeđuje da se toplota pojačano gubi. Stvaranje toplote smanjuju anoreksija, apatija, smanjeno lučenje tireostimulirajućeg hormona (TSH).

Refleksni odgovori aktivirani hladnoćom kontrolisani su posteriornim hipotalamusom, dok su refleksni odgovori aktivirani toplotom kontrolisani anterironim hipotalamusom. Stimulacija anteriornog hipotalamusa izaziva vazodilataciju kože i znojenje, a lezija anteriornog hipotalamusa izaziva hipertermiju. Stimulacija posteriornog hipotalamusa izaziva drhtanje, a lezije dovode do pada telesne temperature. Postoje podaci da je serotonin neurotransmiter u centrima koji kontrolišu mehanizme aktivirane hladnoćom, a norepinefrin u centrima koji kontrolišu mehanizme aktivirane toplotom.

Signali koji aktiviraju hipotalamične termoregulacione centre dolaze iz dva izvora: termoreceptornih ćelija u anteriornom hipotalamusu i kožnih termoreceptora, posebno onih za hladno.

Groznica se javlja kod sisara, ptica, riba, reptila, vodozemaca i riba. Kada se javlja kod homeoterama, termoregulacioni mehanizmi funkcionišu kao da je organizam izložen hladnoći, odnosno kao da je »termostat« hipotalamusa u prednjem hipotalamusu podešen na višu tačku. Groznica nastaje pri nekoj infekciji pa endotoksini bakterija dovode do zapaljenskih procesa i pojave drugih pirogenih stimulusa. To izaziva aktivaciju monocita, makrofaga koji sekretuju različite citokine. Oni deluju na ćelije u prednjem hipotalamusu, povećava se nivo prostaglandina što izaziva porast temperature zadate vrednosti i zbog toga se uključuju mehanizmi kao da se organizam nalazi na niskim temperaturama.

1 1

15Poglavlje 15.

NERVNA OSNOVA INSTINKTIVNOG PONAŠANJA I EMOCIJA

Zadovoljstvo, tuga, ekstaza, nelagodnost, strah, bes, mirnoća, opuštenost – sve te emocije sastavni su deo kolorita našeg života. Emocije imaju mentalnu i fizičku komponentu. One obuhvataju sam osećaj (afekt); saznanje (kogniciju), odnosno svesnost o emociji i njenom uzroku; potrebu da se preduzme akcija; i fizičke promene kao što su povećanje krvnog pritiska, tahikardija, znojenje.

U ovom poglavlju biće ukratko opisana fiziološka osnova emocija, seksualnog ponašanja, straha, besa i motivacija. Instinktivno ponašanje, nagoni i motivacije predstavljaju proces prevođenja određenih potreba u određene obrasce ponašanja. U primarne fiziološke nagone spadaju: glad, žeđ, san, seks, a u opšte: strah, bes, ponašanje u vezi nagrade i kazne. Sekundarni nagoni predstavljaju stečene strahove i socijalne motive.

15.1. Limbički sistem

Limbički sistem obuhvata limbički režanj, najstariji deo korteksa: alokorteks i jukstalokorteks, koji je smešten oko moždanog stabla. Limbički sistem obuhvata i pridružene strukture: amigdaloidna jezgra, hipokampus, septalna jedra, prednja talamička jedra i hipotalamus. Komponente limbičkog sistema povezane su međusobno odgovarajućim putevima u tzv. Papezov krug (Sl. 122). Forniks povezuje hipokampus i mamilarna tela hipotalamusa, a ona su sa anteriornim nukleusima talamusa povezana mamilotalamičkim traktom. Anteriorni nukleusi talamusa projektuju se na cingulatni girus, a od cingulatnog girusa postoje veze sa hipokampusom, te se na taj način krug zatvara. Veze sa korteksom nisu izražene, i jedan naučnik po imenu Nauta rekao je da su veze limbičkog sistema sa neokorteksom, kao kad jahač jaše na konju bez sedla. Karakteristika limbičkog sistema jeste produžena aktivnost nakon stimulacije.

Beleške

1 1

15.2. Seksualno ponašanje

Parenje (koitus, kopulacija) je kompleksan proces u kome učestvuju različiti delovi nervnog sistema. To je serija refleksnih radnji čiji se centar nalazi u kičmenoj moždini i donjim delovima moždanog stabla, a seksualno ponašanje koje prati parenje, odnosno nagon za parenjem i niz drugih ponašanja kod jedinki oba pola regulisani su limbičkim sistemom. Učenje ima važnu ulogu u razvoju ovog ponašanja, posebno kod primata. Kod sisara ne-primata, uspešno parenje može da se izvrši bez prethodnog iskustva. Kod čoveka, ova funkcija je u velikoj meri encefalizovana i uslovljena psihološkim i socijalnim faktorima. Nagon za parenjem i seksualno ponašanje povezani su sa nivoom polnih hormona u organizmu. Kod ne-primata, uklanjanje gonada dovodi do smanjena

seksualne aktivnosti kod jedinki oba pola. Međutim, aplikacija gonadalnih hormona kastriranim životinjama vraća seksualnu aktivnost. Kod ljudi, testosteron povećava libido, dok kod ženke ovarijektomija ne mora da smanji seksualni interes i sposobnost učešća u koitusu. Pokazano je da kod čoveka lezije u blizini amigdaloidnih jezgara izazivaju hiperseksualnost, dok kod mačaka i majmuna lezije dela limbičkog režnja (piriformni korteksa) imaju iste posledice.

Kod sisarskih vrsta, postoji polna razlika u pogledu intenziteta seksualne aktivnosti. Naime, dok je kod muškog pola ona kontinualna, ženski pol karakteriše cikličnost. Naime, u određenom vremenskom periodu ženke odbijaju mužjake, a u periodu tzv. estrusa, ili polnog žara, seksualna aktivnost ženki se povećava i one su spremne za parenje. Ove promene u seksualnoj aktivnosti uslovljene su nivoom estradiola u krvi, i rezultat su interakcije hormona hipotalamusa (deo diencefalona koji kontroliše funkcije adenohipofize), gonadotropnih hormona adenohipofize i hormona ovarijuma. Ovaj biološki ritam reproduktivne funkcije kod ne-primata označen je kao estrusni, a kod primata kao menstrualni ciklus (detaljnije u poglavlju 17). Interesantno je napomenuti da mužjaci majmuna imaju pojačan interes za parenje ukoliko su u kontaktu sa ženkom koja je u peridu polnog žara, nego sa ženkom koja je u nekoj drugoj fazi estrusnog ciklusa. Poznato je da ženka šalje «poruke» u vidu feromona. S druge strane, pokazano je da uklanjanje neokorteksa i limbičkog korteksa kod ženki životinja, dok su u fazi polnog žara, ukida aktivno traganje ženki za mužjakom. Takođe, lezije prednjeg dela hipotalamusa ukidaju pojavu estrusa, što znači i ovulacije.

Kod žena, seksualna aktivnost traje tokom celog ciklusa jer su psihološki i socijalni faktori dominantni. Međutim, uticaj hormona je prisutan i kod žena tako da se seksualno interesovanje povećava tokom ovulacije.

Seksualno ponašanje u odraslom dobu, zavisi i od nivoa gonadalnih hormona tokom fetalnog i neonatalnog razvoja. Poznato je da kod fetusa muškog pola, testisi sintetišu velike količine androgena koji deluju na sazrevanje prednjeg dela hipotalamusa i vrše njegovu «maskulinizaciju». Ukoliko testosteron iz nekog razloga odsustvuje, ne dolazi do maskulinizacije hipotalamusa i u odraslom dobu životinja se karakteriše cikličnim oslobađanjem gonadotropnih hormona, i cikličnom aktivnosti transplantiranog ovarijuma. Najveći broj eksperimenata rađen je na laboratorijskim pacovima kod kojih se maskulinizacija hipotalamusa dešava i prvih nekoliko postnatalnih dana. Ukoliko se izvrši kastracija neonatalnih pacova, i pod bubrežnu kaspulu implantira ovarijum, nakon puberteta kod takve životinje će se registrovati ciklična aktivnost ovarijuma. Takođe, ukoliko se ženki pacova injicira određena doza androgena tokom prvih pet postnatalnih dana, nakon puberteta takva ženka ne pokazuje cikličnu aktivnost. Drugim rečima, injiciranje androgena u neonatalnom periodu rezultira maskulinizacijom hipotalamusa. Kod ljudi, izlaganje ženskog fetusa androgenima, ne utiče na ciklično oslobađanje gonadotropnih hormona iz adenohipofize, ali studije pokazuju da ima maskulinizirajući efekat na ponašanje takve osobe.

U seksualno ponašanje spada i materinsko ponašanje na koje utiče hormon prolaktin. Ovakvo ponašanje ukida se lezijama cingulatnog girusa.

15.3. Afektivno-odbrambeno ponašanje: strah i bes

Strah i bes su vrlo bliske emocije. Spoljna manifestacija straha je bežanje ili reakcija izbegavanja. Ta reakcija praćena je istovremeno i mnogim autonomnim reakcijama: znojenje, širenje zenica, pomeranje glave sa jedne na drugu stranu u traženju izlaza, skrivanje.

Reakcije straha mogu kod životinja da se izazovu stimulacijom amigdaloidnih jedara i hipotalamusa. Nasuprot tome, ako se amigdaloidna jedra razore, gube se reakcije straha. Izrazit primer su majmuni koji se veoma boje zmija, ali sa lezijom amigdaloidnih jedara, gube svaki strah od zmija. Eksperimentalno je pokazano da odstranjivanje neokorteksa i lezije ventromedijalnih nukleusa (NVM) u hipotalamusu rezultiraju pojavom velikog besa na minimalne stimuluse. Kod životinja su važni i uticaji grupe. Tako na primer, pojava drugog mužjaka izaziva agresivnost.

Gonadalni hormoni, posebno androgeni, utiču na agresivno ponašanje. Pokazano je da kastracija mužjaka pacova smanjuje agresivno ponašanje, dok supstituciona terapija testosteronom povećava agresivnost. Agresivnost je uslovljena i socijalnim faktorima.

Predpostavlja se da se u hipotalamusu i limbičkom sistemu nalaze dva usko povezana mehanizma koji regulišu stanje besa i stanje smirenosti. Smatra se da funkcionišu na sličan način kao centri za glad i sitost, odnosno regulaciju telesne temperature. Emocionalne reakcije kod ljudi su mnogo suptilnije, međutim neuronska osnova besa i straha je verovatno slična.

15.4. Motivacije i zavisnosti

Eksperimenti na laboratorijskim pacovima i majmunima pokazali su da oko 35% moždanih struktura predstavlja tzv. sistem za približavanje, ili centre za nagradu, dok oko 5% mozga čini sistem za izbegavanje, ili centri za kaznu. Ostali delovi mozga (60%) su indiferentni u odnosu na ove sisteme. Delovi mozga uključeni u sistem za približavanje su: prefrontalni korteks, nukleus akumbens, prednji mezencefalični snop (engleski: medial frobrain bundle, MFB), ventralna tegmentalna oblast i dorzalni deo moždanog stabla, dok su delovi sistema za

Sl. 122. Papezov krug (1) eferentni put ka srednjem mozgu koji je odgovoran za ekspresiju emocija; (2) mamilotalamički trakt povezuje mamilarna tela hipotalamusa i prednja talamička jedra; (3) projekcija talamičkih jedara na cingulatni girus, deo limbičkog režnja; (4) veza cingulatnog girusa sa hipokampusom; (5) forniks, veza hipokampusa

sa mamilarnim telima (m.b.)

1 1

izbegavanje, lateralni delovi hipotalamusa i dorzalni deo mezencefalona. Aktivnost ovih delova mozga vezana je za regulaciju ponašanja u vezi sa nagradom i kaznom. Ako se eskperimentalna životinja stavi u kavez u kome se nalazi poluga koju može da pritisne, životinja će u jednom momentu to i da uradi. Ukoliko je poluga povezana sa elektrodama koje su implantirane u deo mozga koji pripada sistemu za približavanje, životinja ponovljeno pritiska polugu dok se potpuno fizički ne iscrpi. Tako pacov može da aktivira polugu od 5000 – 12000 puta/čas, dok majmun postiže frekvencu i od 17000 puta/čas. Nasuprot tome, ako su elektrode implantirane u delove koji predstavljaju sistem za izbegavanje, životinja izbegava ponovljenu aktivaciju poluge. Naime, stimulacija ovih delova mozga predstavlja bezuslovni stimulus za formiranje uslovnog refleksa izbegavanja. Eksperimentatori nemaju podatke o tome šta životinja konkretno oseća nakon stimulacije sistema za nagradu, odnosno sistema za izbegavanje, ali opisano ponašanje ponovljenog samostimulisanja, odnosno izbegavanja stimulacije, jasno ukazuju da ti delovi mozga predstavljaju sisteme za približavanje (nagradu), odnosno izbegavanje (kaznu) (Sl. 123). Eksperimenti na životinjama pokazuju da je stimulacija sistema za približavanje snažan motiv za učenje kretanja kroz lavirint ili izvršavanje drugih zadataka.

Sl. 123. Oblasti mozga čija stimulacija rezultira visokom frekvencom samostimulacije kod eksperimentalne životinje. (1) prefrontalni korteks; (2) nukleus akumbens; (3) MFB; (4) ventralna tegmentalna oblast; (5) dorzalno moždano stablo. OB – olfaktorni bulbus; CC

– kortkes; H – hipokampus.

Postoje podaci o ispitivanjima kod pacijenata koji su iz određenih razloga imali implantirane elektrode u određene delove mozga. Ukoliko je bila u pitanju aktivacija sistema za približavanje, pacijenti su saopštavali da su izazvane senzacije ugodne, a za opisivanje doživljenog koristili su izraze: radost, ushićenje. Ukoliko su elektrode bile ugrađene u delove mozga koji predstavljaju sistem za izbegavanje, pacijenti su govorili o osećaju blagog straha i panike. Na osnovu, ovakvih eksperimanata opisani delovi moždanih struktura dobili su navedene nazive. Pokazano je da lekovi koji blokiraju postsinaptičke dopaminergičke D2-receptore smanjuju frekvencu samostimulacije, dok je D2-agonisti povećavaju. Glavno mesto dejstva ovih lekova, odnosno prisustva D2-receptora jeste nukleus akumbens.

Zavisnost predstavlja ponovljeno prinudo uzimanje određene supstance uprkos negativnim konsekvencama. Može da bude izazvano različitim supstancama. Pet najviše ispitivanih supstanci su: opijati – morfijum i kokain, amfetamin, etil alkohol i duvan (nikotin). Ove supstance deluju na mozak na različite načine, ali svi imaju jedan zajednički efekat – povećavaju nivo dopamina dostupnog da deluje na D2-receptore u nuklesus akumbensu. Prema tome, stimulišu sistem za nagrađivanje u mozgu.

15.5. Neurotransmiteri mozga i ponašanje

Serotonin.Serotonergički neuroni iz nukleusa rafe u srednjem mozgu projektuju se u hipotalamus, limbički sistem, neokorteks, kičmenu mozdinu (analgezija). Mnoge supstance deluju na modifikaciju aktivnosti u serotonergičkim sinapsama. Halucinogena droga, dietilamin lizergična kiselina (LSD) je agonist serotonina. Prolazne halucinacije i drugi mentalni poremećaji koje izaziva ova supstanca otkriveni su slučajno kada je hemičar koji je sintetisao ovu kiselinu inhalirao izvesnu količinu. Njegovo otkriće pobudilo je pažnju u vezi

korelacije između određenog ponašanja i variranja nivoa serotonina u mozgu. Psilocin iz gljiva i dimetiltriptamin su takođe halucionegi, a predstavljaju derivate triptamina kao i serotonin. Meskalin i njegovi kongeneri su fenietilamini, a takođe se vezuju za serotoninske receptore. Ekstazi je 3,4-metilen-dioksi-met-amfetamin (MDMA), izaziva oslobadjanje serotonina praćeno pražnjenjem serotoninskih depoa u neuronima. Izaziva euforiju, koja je kasnije praćena teškoćama u koncentraciji, depresijom, a kod majmuna i nesanicom. Euforija je najverovatnije rezultat povećanog oslobađanja serotonina i pojačane aktivnosti serotonergičkih sinapsi, a kasniji efekti su rezultat ispražnjenih serotoninskih depoa, što znači da pristizanje akcionog potencijala na presinaptičke završetke serotonergičkih neurona izaziva oslobađanje neurotransmitera u količinama koje su manje od fizioloških. Drugim rečima, nastupa poremećaj u funkcionisanju serotonergičkih sinapsi. Prozak predstavlja lek protiv depresije, jer selektivno inhibiše ponovno preuzimanje serotonina u presinaptičke završetke i na taj način potencira delovanje endogenog serotonina. Naime u depresiji se konstatuje nizak nivo serotonina u cerebrospinalnoj tečnosti.

NorepinefrinTela neurona koji sadrže noradrenalin locirana su u nukleusu lokus ceruleus i drugim nukleusima ponsa i produžene moždine. Iz lokusa ceruleusa aksoni noradrenergičkih neurona formiraju silazni put i idu u kičmenu moždinu, ulaze u cerebelum, a penju se i do hipotalamusa gde inervišu paraventrikularni, supraoptički i periventrikularni nukleus hipotalamusa, zatim idu do talamusa i celog neokorteksa. Aksoni neurona čija su tela smeštena u nukleusu nerva vagusa, nukleusu trakta solitarijusa, i oblasti dorzalnog i lateralnog tegmentuma formiraju lateralni tegmentalni sistem koji se projektuje u kičmenu moždinu, i moždano stablo, ceo hipotalamus i bazalni deo telecefalona. Ushodna vlakna iz nukleusa lokus ceruileusa formiraju dorzalni noradrenergički snop, a oni iz lateralnog tegmentalnog sistema formiraju ventralni noradrenergički snop. Lekovi koji povećavaju ekstracelularnu koncentraciju noradrenalina u

mozgu, popravljaju raspoloženje, a lekovi koji smanjuju nivo noradrenalina izazivaju depresiju.

DopaminPostoji veliki broj dopaminergički neurona u mozgu. Tuberoinfundibularni snop u hipotalamusu ide iz arkuatnog nukleusa do eminencije medijane i uključen je u inhibiciju sekrecije prolaktina iz adenohipofize. Dugački nigrostrijalni snop ide od substancije nigre do strijatuma i uključen je u motornu kontrolu. Mezokortikalni snop ide od tegmentuma mezencefalona do limbičkog režnja, nukleusa akumbesa i drugih subkortikalnih struktura. Kao što je već rečeno, istraživanja ukazuju na povezanost mezokortikalnog sistema, posebno nukleusa akumbensa sa razvijanjem zavisnosti prema određenim supstancama.

AcetilholinNalazi se u raznim delovima CNS, najveće koncentracije u korteksu, talamusu i bazalnim jezgrima prednjeg mozga. U bazalnom delu mozga postoje tzv. jezgra Majnerta (Meynert) iz kojih se holinergička vlakna projektuju u amigdalu i neokorteks, a uključena su u procese pamćenja, percepcije, motivacije. Gubitak ovih neurona prisutan je kod Alchajmerove bolesti.

Endogeni opioidiPostoje tri tipa neurona koji sintetišu jedan od tri prekursora za endogene opioide, propiomelanokortin, prodinofrin i proekefalin. Enkefalinski neuroni su rasuti po mozgu. Endorfinski neuroni iz arkuatnog nukleusa idu u talamus i moždano stablo. Dinorfinski neuroni prisutni su u hipotalamusu, limbičkom sistemu i moždanom stablu. Imaju različite funkcije. U nivou kičmene moždine blokiraju prenos informacija o bolu sa senzitivnog neurona na neuron drugog reda. U mehanizmima približavanja i izbegavanja, u potencijalno stresnim situacijama, opioidi redukuju averzivne osobine nepoznatog što omogućava bolju adaptaciju organizma. To je jedan od razloga moguće zavisnosti od opioida.

10 11

16Poglavlje 16.

NEUROFIZIOLOŠKA OSNOVA UČENJAI PAMĆENJA

16.1. Učenje i memorija

Učenje može da se definiše kao sposobnost da se modifikuje ponašanje na bazi iskustva, a pamćenje kao sposobnost da se u sećanje dozovu prošli dogadjaji, bilo na svesnom ili nesvesnom nivou.

Postoje dve osnovne kategorije učenja: asocijativno i neasocijativno. Habituacija i senzitizacija su neasocijativne forme učenja, dok su uslovni refleksi i instrumentalno uslovljavanje asocijativne forme učenja.

Habituacija je jednostavna forma učenja u kojoj se neutralan stimulus ponavlja više puta, s tim da stimulus nije ni nagradjujući, ni kažnjavajući. Kada se prvi put primeni, stimulus izaziva seriju orijentacionih refleksnih radnji, tipa “šta je to”- odgovor. Pri ponavljanju, stimulus izaziva sve manji i manji odgovor, i na kraju subjekt se navikava na stimulus i ignoriše ga.

Senzitizacija je suprotna reakcija. Ponovljeni stimulusi izazivaju povećane odgovore, ukoliko se povežu (jedan ili više puta) sa nekim neprijatnim ili prijatnim stimulusom. Lep primer senzitizacije jesu eksperimenti američkiog naučnika Kandela (Kandel, 1980) koji je izučavao neuronske mehanizme habituacije i senzitizacije škržnog refleksa kod morskog puža Aplisia sp. Škržni refleks je odbrambena reakcija slična refleksu fleksije, a sastoji se u povlačenju škrga u šupljinu ispod plašta pri dodiru sifona mlazom vode. Neprijatan stimulus je bio nociceptivan stimulus.

Uslovni refleksi, odnosno klasično uslovljavanje, su oblik učenja pri kome dolazi do asocijacije izmedju uslovnog stimulusa i bezuslovnog stimulusa. Termine je uveo ruski fiziolog Ivan Pavlov (Sl. 124). Početkom XX veka je proučavao refleksno lučenje pljuvačke do koga dolazi pri unošenju hrane u usta, i konstatovao je da do ove refleksne reakcije može da dodje i pri primeni nekog drugog neadekvatnog, indiferentnog stimulusa, ukoliko

Beleške

1 1

indiferentni stimulus pređe u uslovni. Eksperiment se sastojao u sledećem. Pas je stavljen u kavez, imobilisan i izolovan od spoljašnje sredine. U pljuvačnu žlezdu uvučena je tanka cevčica preko koje je pljuvačka odvodjena i pri tome je merena količina pljuvačke. Davanje hrane je bezuslovan stimulus za gustatorne receptore, a zvučni ili svetlosni stimulus bio je indiferentni stimulus koji je trebalo da postane uslovni stimulus, ukoliko se ostvare odredjeni uslovi.

Postoje određeni uslovi koji treba da se ostvare da bi indiferentni stimulus prešao u uslovni stimulus. Prvo, indiferentni stimulus treba da ima pragovnu vrednost za svoje specifične receptore, npr. svetlost da dostigne prag nadražaja fotoreceptora u oku, ili zvuk da aktivira dlakaste ćelije u pužu. Drugo, mora da postoji vremenska koordinacija ismedju indiferentnog stimulusa i bezuslovnog stimulusa, tj. indiferentni stimulus treba da prethodi bezuslovnom. Ovakva kombinacija najefikasnije dovodi do prevođenja indiferentnog u uslovni stimulus. U slučaju da se oba stimulusa primenjuju istovremeno, ili prvo bezuslovni, pa indiferentni stimulus, takodje može da dodje do razvoja uslovnog refleksa, ali će takav refleks lakše da se ugasi. Treće, indiferentni stimulus treba da se primenjuje više puta u kombinaciji sa bezuslovnim, da bi se uspostavio uslovni refleks, odnosno da bi indiferentni stimulus prešao u uslovni. Ukoliko se uslovni stimulus primenjuje duže vreme bez bezuslovnog, dolazi do gašenja uslovnog refleksa. Taj proces se zove unutrašnja inhibicija. Pored unutrašnje inhibicije postoji i tzv. spoljašnja inhibicija koja se javlja ako se nakon uslovnog stimulusa primeni neki drugi spoljašnji stimulus.

Predpostavlja se da je osnovni mehanizam klasičnog uslovljavanja, odnosno uspostavljanja uslovnog refleksa, uspostavljanje veze izmedju centara u CNS koji se aktiviraju bezuslovnim i indiferentnim tj. uslovnim stimulusom (pr. salivatorna jedra u produženoj moždini i kortikalne zone za vid).

Instrumentalno uslovljavanje je drugi tip asocijativnog učenja. Ovde se stvara veza izmedju odgovora tj. ponašanja i stimulusa.Naime, ako se životinja uči da uradi neki zadatak, a to se poveže sa dobijanjem nagrade, ili izbegavanjem kazne, onda se takav oblik učenja zove instrumentalno uslovljavanje, a kako se pri tome prave i greške, učenje može da se nazove i učenje “na pokušajima i pogreškama”. Stvara se veza izmedju odgovora – ponašanja i indiferentnog stimulusa koji prelazi u uslovni (svetlost, zvuk). Uslovne motorne reakcije koje omogućavaju životinji da izbegne neugodni stimulus zovu se uslovni refleksi izbegavanja. Ukoliko životinja nauči da treba da pritisne polugu na zvuk zvona da bi izbegla negativno potkrepljenje to predstavlja aktivno izbegavanje. Pasivno izbegavanje je kada životinja treba da nauči da na svetlosni signal, udje u drugi kavez i uzima hranu. Nakon toga

umesto hrane primenjuje se neugodno potkrepljenje, npr. udar strujom. Životinja odustaje od naučene reakcije, i to se označava kao pasivno izbegavanje..

Averzivno učenje je slično klasičnom uslovljavanju, ali nije potrebno ponavljanje. Primer je korišćenje uslovljavanja da se formira averzija prema hrani.Na primer, pacovu je davana voda različitog ukusa, a odredjeni ukusi povezani su sa ozračivanjem pacova što je posle nekoliko sati bilo praćeno bolešću gastrointestinalnog trakta. Kada se pacov oporavio od bolesti odbijao je da pije vodu ukusa koji su bili povezani sa ozračivanjem. Bolest je bila indiferentni stimulus, a ukus bezuslovni stimulus. Ako se davanje hrane poveže sa nekim neprijatnim stimulusom na primer injicira se lek koji izaziva povraćanje, životinja se razviti averziju prema toj hrani. Averzija se razvija posle samo jednog pokušaja, a vremenska razdvojenost izmedju uslovnog i bezuslovnog stimulusa ne mora da bude tako mala kao kod klasičnog uslovljavanja. Smatra se da je mozak genetski programiran da olakša formiranje ovog refleksa – izbegavanje trovanja (odvikavanje od alkohola…)

Pamćenje je sposobnost da se u sećanje dozovu prošli dogadjaji. Može da se podeli na: nedeklerativno (refleksivno, implicitno) pamćenje – klasično uslovljavanje, veštine, navike, najčešće je na nesvesnom nivou, i deklerativno (eksplicitno) pamćenje – pojmovi, dogadjaji se svesno prizivaju u sećanje. Deklerativno pamćenje može dovoljnim brojem ponavljanja da se transformiše u refleksivno. Pr., sviranje klavira, vožnja kola, ili sportske veštine. Smatra se da se eksplicitno pamćenje

Da bi se nešto zapamtilo, tj. da bi se informacija zapisala (kodirala) potrebno je da se u mozgu formira tzv. engram pamćenja, ili trag. Proces formiranja engrama zove se konsolidacija. Eksperimentalno je potvrdjeno da u pamćenju postoje tri faze, odnosno mehanizma: jedan posreduje pri sećanju na neposredne događaje, drugi je

odgovoran za sećanje na događaje od pre nekoliko minuta do sati, a treći posreduje pri sećanju na daleku prošlost.

Da različiti mehanizmi učestvuju tokom konsolidacije pamćenja pokazuju eksperimenti u kojima se životinja podvrgne učenju, a zatim dejstvu stresogenih stimulusa u roku od nekoliko minuta – to sprečava da životinja zapamti ono što uči. Ako se stresogeni stimulusi primene nakon 4 časa posle učenja, to nema efekta na pamćenje naučenog. Znači u tom periodu se kodira informacija i engram ostaje stabilan.

16.2. Molekulska osnova učenja i memorije

Promene u sinaptičkoj funkciji mogu da se ostvare kao rezultat prethodne aktivnosti u sinapsi; sinaptička transmisija može da se pojača ili oslabi na bazi prethodnog iskustva. Ove promene predstavljaju forme učenja i pamćenja, a mogu da budu locirane pre- i post-sinaptički.

Sl. 125. Posttetanička potencijacija. Objašnjenje u tekstu.

Posttetanička potencijacija je geneza EPSP veće amplitude kao odgovor na pristizanje akcionih potencijala presinaptičkim neuronom (Sl. 125). Traje do 60 sekundi, a javlja se nakon tetaničke stimulacije presinaptičkog neurona, znači vezano je za presinaptičke završetke. Tetanička stimulacija izaziva zasićenje intracelularnih rezervoara Ca2+ i on zaostaje u aksoplazmi završetaka.

Sl. 124. Ruski fiziolog Ivan Pavlov.

1 1

Pristizanje akcionih potencijala u tom periodu dovodi do povećanog oslobađanja neurotransmitera, a to rezultira većom amplitudom EPSP.

Habituacija je rezultat smanjenog oslobađanja neurotransmitera zbog manjeg ulaska Ca2+ jona tokom akcionog potencijala. Dolazi do postepene inaktivacije Ca2+ kanala. Habituacija može da bude kratkotrajna i dugotrajna ukoliko se indiferentni stimulus više puta ponavi, odnosno pamćenje se konsoliduje.

Senzitizacija je produženo trajanje postsinaptičkog odgovora nakon primene neutralnog stimulusa koji je bio primenjen u paru sa npr. nociceptivnim stimulusom. Kod morskog puža, senzitizacija je posledica presinaptičke facilitacije (Sl. 126). Preko akso-aksonske sinapse serotonergički neuron (serotonin preko R, Gp, AC, cAMP, PKA) zatvara K+-kanal što produžava trajanje akcionog potencijala (videti poglavlje 4).

Sl. 126. Šematski prikaz neurona koji učestvuju u senzitizaciji kod morskog puža u odgovor na primenu indiferentnog i nociceptivnog

stimulusa. Objašnjenje u tekstu.

Dugotrajna potencijacija (LTP) je pojačana aktivnost postsinaptičkog neurona na presinaptičku stimulaciju, nakon kratkog perioda ponovljene stimulacije presinaptičkog neurona. LTP može da traje danima. Za razliku od PTP, LTP je rezultat povećanja intracelularne

koncentracije Ca2+ u postsinaptičkom neuronu. Dešava se u mnogim delovima nervnog sistema, ali je najviše proučavana u hipokampusu (Sl. 127).

Sl. 127. Glutaminergički neuroni i šema NMDA receptora.

Glutamat oslobođen iz presinaptičkih završetaka, izaziva depolarizaciju postsinaptičkog neurona preko AMPA/Q-receptora za više od 20 mV što omogućava uklanjanje Mg++-bloka iz NMDA receptora i dolazi do ulaska Ca2+ zajedno sa Na+ (Sl. 128). Pretpostavlja se da Ca2+ aktivira Ca2+-CaM kinazu što rezultura fosforilacijom i pojačanom aktivnošću AMPA/Q receptora, pa se povećava amplituda EPSP-a u odgovor na oslobođeni Glu iz presinaptičkih završetaka. Ca2+ aktivira i Ca2+-zavisnu azot oksid sintazu (NO-sintazu) koja od Arg sintetiše NO. NO se vraća u presinaptičke završetke i aktivira se sGC koja katališe sintezu cGMP od GTP. Ciklični GMP aktivacijom specifičnih kinaza pojačava oslobađanje Glu iz presinaptičkih završetaka. U postsinaptičkom neuronu, Ca2+ joni mogu aktivacijom odgovarajućih kinaza da obezbede fosfrilaciju transkripsionih faktora, što vodi ekspresiji gena i sintezi proteina.

NMDA receptor zavisna potencijacija može da se podeli na kratkotrajnu: STP koja ne traje duže od 60 minuta i relativno je nezavisna od inhibitora protein kinaze; LTP 1-traje 3-6 sati i blokiraju je inhibitori protein kinaze; LPT 2 – traje duže i inaktivišu je blokatori sinteze proteina i LPT 3 – traje danima i zahteva gensku ekspresiju, pored sinteze proteina i aktivacije protein kinaze.

Sl. 128. Aktivacija NMDA receptora u postsinaptičkom neuronu i događaji izazvani povećanjem intracelularne koncentracije Ca2+.

Objašnjenje u tekstu.

Kodiranje nedeklarativnog pamćenja. Pretpostavlja se da su molekularni mehanizmi slični onima kod morskog puža. Uključeni su različiti delovi CNS – striatum, bazalne ganglije, mali mozak (pr. vestibulo – okularni refleks)

Kodiranje deklerativnog pamćenja. Različiti delovi moždanog korteksa: potiljačni, slepoočni, čoeni režanj su aktivni ukoliko se subjektu kaže da zapamti nekoliko vizuelnih stimulusa.

Kratkotrajno pamćenje - aktivirani hipokampus i susedni delovi korteksa. Kod osoba sa bilateralnim lezijama prednjeg dela hipokampusa dolazi do poremećaja u kratkotrajnom pamćenju i nemoguće je formiranje

engrama LTM-a. Nedeklarativno pamćenje je očuvano. Osoba se seća skorih događaja ako se na to skoncetriše, ali ako se i za vrlo kratko vreme usmeri na neštoidrugo, zaboravi šta se dešavalo. Događaje koji su se desili pre lezije pamti. Veze sa diencefalonom (mamilarnim telima) su takođe važne za konsolidaciju pamćenja. Kod alkoholičara mogu da se jave patološke promene u mamilarnim telima koja su preko forniksa u vezi sa hipokampusom, koje rezultiraju gubitkom kratkotrajnog pamćenja.

Amigdaloidna jedra su uključena u emocije u daju „boju” pamćenju. Bolje se pamte događaji koji su povezani sa jakim emocijama.

Dugotrajno pamćenje je locirano u različitim delovima neokorteksa. Informacije iz vizuelnog i drugih asocijativnih oblasti korteksa prosleđuju se do peririnalnog i entorinalnog korteksa, a zatim do hipokampusa. Tu se obrađuju i zatim se vraćaju u oblasti odakle su stigle. Ova aktivnost utvrđuje odgovarajuće sinaptičke veze iz različitih oblasti neokorteksa formirajući stabilno pamćenje koje može da se dozove u svest različitim podsticajima.

1 1

17Poglavlje 17.

OPŠTI PRINCIPI ENDOKRINE REGULACIJE

Endokrini sistem svoju regulatornu funkciju obavlja putem hormona. Hormoni su specifične hemijski aktivne materije, produkti endokrinih žlezda koji se izlučuju direktno u krv i putem krvi stižu do efektora, odnosno ciljnih ćelija. Endokrini sistem zajedno sa nervnim ima dominantnu ulogu u obezbedjenju homeostaze organizma i njihove aktivnosti se medjusobno dopunjuju. Osnovni način prenošenja informacija u nervnom sistemu jesu nervni impulsi, dok u endokrinom sistemu tu ulogu vrše hemijski aktivne materije - hormoni. Kontrola aktivnosti endokrinih žlezda obezbeđuje se povratnom spregom.

Mnogi homeostatski mehanizmi endokrinog sistema deluju kao negativna povratna sprega. Pozitivna povratna sprega javlja se da obezbedi uzlaznu fazu nekog cikličnog fenomena (primer je hormonska kontrola menstrualnog i estrusnog ciklusa). U nastavku će biti prikazani primeri endokrinih povratnih sprega, od primera kontrole nivoa glukoze u krvi insulinom, gde hormon kontroliše održavanje vrednosti određene veličine u

fiziološkim granicama, do primera sistema: hipotalamus-adenohipofiza-endokrina žlezda, gde se komunikacija odvija isključivo putem hormona.

Slika 129. Uloga endokrinog pankreasa u regulaciji nivoa glukoze u krvi.

Povećan nivo glukoze u krvi stimuliše pankreas da luči insulin (Sl. 129). Ovaj hormon omogućava ulazak glukoze u ćelije masnog tkiva i mišićne ćelije i to dovodi do smanjenja nivoa glukoze u krvi. Prema tome hormon ukida pokretački stimulus koji je izazvao njegovu sekreciju (negativna povratna sprega).

Beleške

1 1

Složeniji vid povratnih dejstava može da se ilustruje na primeru regulacije osmotskog pritiska uz učešće neurohipofize. Usložnjavanje potiče od činjenice da osnovni pokretački stimulus (povećanje osmotskog pritiska) ne deluje direktno na endokrino tkivo već posredstvom specifičnih receptora i nervnih elemenata. Povećan osmotski pritisak krvi, povećava aktivnost osmoreceptora u hipotalamusu što povećava frekvencu nervnih impulsa koji putem hipotalamo-hipofiznog nervnog trakta stižu do neurohipofize i izazivaju oslobadjanje antidiuretičnog hormona (ADH), odnosno vazopresina. ADH učestvuje u kontroli osmotskog pritiska krvi, jer omogućava veću reapsorpciju vode u bubrezima iz primarnog filtrata (Sl. 130). Naime, prilikom prečišćavanja krvi u bubrezima, dnevno se kod čoveka filtrira oko 180L tečnosti, od čega se 99% vode ponovo reapsorbuje u krv. U odsustvu ADH, taj procenat reapsorpcije je manji (oko 87%) i u tim slučajevima količina urina koji se ekskretuje iznosi i do 20 L, umesto 1 L. Ovu razliku u reapsorpciji obezbedjuje ADH. Naime, ADH se na nivou sabirnih kanalića u bubrezima vezuje za specifične receptora (V2 receptore, G-protein zavisni receptori) što indukuje ugrađivanje proteinskih kanalića za vodu (akvaporina) iz intracelularnih “rezervoara” u plazma membrane ciljnih ćelija. Na taj način se povećava reapsorpciju vode. U nedostatku ADH dolazi do povećanog gubljenja vode preko urina, bolest označena kao diabetes insipidus. Nikotin povećava lučenje ADH, a alkohol ga inhibiše, pa to menja količinu urina koji se izlučuje iz organizma.

Veoma su značajni kontrolni sistemi u kojima se povratno dejstvo na endokrino tkivo ostvaruje posredstvom samih hormona. U ovakvim sistemima hormon endokrine žlezde pored funkcija koje ima u organizmu učestvuje u povratnom sprezi na nivou hipotalamo-hipofiznog kompleksa regulišući svoju sopstvenu produkciju.

Slika 131. Sistemi povratne sprege u kontroli rada adenohipofize.

Kontrola produkcije adenohipofiznih hormona odvija se povratnom spregom u kojoj učestvuju hormoni hipotalamusa, hormoni adenohipofize i hormoni ciljne periferne endokrine žlezde. Na sl. 131 prikazan je sistem povratne sprege u kome učestvuju hipotalamus, adenohipofiza i ciljna endokrina žlezda, pri čemu se informacija od jednog do drugog elementa prenose putem hormona. U opštoj šemi, prikazano je da hipotalamični hormon (h1) stimuliše odredjene ćelije adenohipofize da sekretuju svoj hormon (h2) koji deluje stimulativno na odgovarajuću endokrinu žlezdu. Endokrina žlezda sekretuje odgovarajuće hormone (h3) koji ispoljavaju odredjene efekte u organizmu, a povećanje nivoa ovih hormona iznad graničnih vrednosti rezultira negativnim (inhibitornim) dejstvom na nivou hipotalamusa, odnosno adenohipofize, što predstavlja negativnu povratnu spregu. Drugim rečima, povećane koncentracije hormona periferne endokrine žlezde smanjuju aktivnost hipotalamičnih neurona, pa se smanjuje nivo hipotalamičnih hormona koji stižu do ćelija adenohipofize, odnosno smanjuje se pozitivno dejstvo na ćelije adenohipofize, što rezultira manjim oslobadjanjem odgovarajućeg adenohipofiznog hormona, a time je smanjeno i njegovo delovanje na ćelije endokrine žlezde. To ima za posledicu manju sekreciju hormona endokrine žlezde, pa se njihove koncentracije u cirkulaciji smanjuju, te je stoga njihovo inhibitorno delovanja na nivou hipotalamusa (odnosno adenohipofize) manje. To znači da u sledećem vremenskom koraku sekrecija hipotalamičnih hormona neće biti inhibisana, pa će pozitivno dejstvo hipotalamusa na nivou adenohipofize ponovo biti većeg intenziteta. Dejstvo hormona periferne žlezde na nivou hipotalamusa označava se kao dugačka indirektna povratna sprega, a na nivou adenohipofize kao dugačka direktna povratna sprega. Dejstvo hormona perifernih žlezda na hipotalamičnom nivou je po pravilu negativnog karaktera. Medjutim postoje i primeri pozitivne povratne sprege (primer je hormonaska kontrola u okviru estrusnog i menstrualnog ciklusa), koja

obezbedjuje uzlaznu fazu odredjenog cikličnog fenomena. Postoji i tzv. kratka povratna sprega, odnosno dejstvo hormona adenohipofize na nivou hipotalamusa, pri čemu je to uvek negativna povratna sprega.

17.1. Hipotalamo-hipofizni sistem

Hipotalamus predstavlja najviši integrativni centar nervnog i endokrinog sistema. Endokrina funkcija hipotalamusa nerazdvojno je vezana uz hipofizu (Sl. 132). Hipotalamus je deo medjumozga (videti poglavlje 14). Odredjeni hipotalamični neuroni locirani u pojedinim parvicelularnim nukleusima produkuju hormone koji preko specijalizovanog sistema kapilara i krvnih sudova (tzv. hipotalamo-hipofiznog portnog sistema) dolaze do ćelija adenohipofize i utiču na produkciju njenih hormona. Hipotalamo-hipofizni portni sistem započinje u nivou eminencije medijane, ventralnom delu hipotalamusa u kome se završavaju hipotalamični neuroni koji kontrolišu rad adenohipofize. Gornja hipofizna arterija (ogranak unutrašnje karotidne arterije) grana se u nivou eminencije medijane u bogat splet fenestriranih kapilara (tzv. primarni kapilarni splet) u čijoj se blizini nalaze završeci neurosekretornih neurona koji produkuju hipotalamične hormone odgovorne za kontrolu rada adenohipofize. Kapilarni sudovi prostiru se u tkivo emeninecije medijane, a zatim se vraćaju na površinu, spajaju i grade portne sudove koji prolaze kroz hipofiznu dršku, a u nivou adenohipofize se granaju u splet kapilara i sinusoida (tzv. sekundarni kapilarni splet). Hipotalamični hormoni oslobadjaju se u nivou eminencije medijane i putem portnog krvotoka dospevaju do adenohipofize. Veza izmedju hipotalamusa i neurohipofize je nervne prirode, jer aksoni odredjenih hipotalamičnih neurona čija se tela nalaze u NSO i NPV grade tzv. hipotalamo-hipofizni nervni trakt, odnosno završeci aksona se nalaze u neurohipofizi i u njima se magazioniraju hormoni oksitocin i vazopresin, odnosno ADH.

Slika 130. Regulacija osmotskog pritiska uz učešće neurohipofize.

10 11

Sl. 132. Hipotalamo-hipofizni sistem: (1) hipotalamo-hipofizni portni sistem; (2) gornja hipofizna arterija; (3) primarni kapilarni splet; (4) eminencija medijana; (5) portni sudovi u infundibulumu; (6) sekundarni kapilarni splet u adenohipofizi; (7) hipotalamo-

hipofizni nervni trakt; (8) adenohipofiza; (9) neurohipofiza.

Hipofiza predstavlja kompleksnu strukturu koja leži u koštanoj šupljini, turskom sedlu, na bazi lobanje. To je mali organ dimenzija oko 10 mm, mase oko 0.5 g kod čoveka. Sastoji se iz tri dela: prednjeg, srednjeg i zadnjeg režnja(Sl. 4). Prednji i srednji režanj ulaze u sastav adenohipofize, kao i pars tuberalis deo koji oblaže eminenciju medijanu i infundibulum. Kod čoveka srednji režanj nije razvijen, ali postoji kod većine kičmenjaka. Često se termini prednji režanj i adenohipofiza koriste kao sinonimi. Zadnji režanj pripada neurohipofizi zajedno sa infundibulumom i eminencijom medijanom. Takođe, termini zadnji režanj i neurohipofiza koriste se kao sinonimi.

Neurohipofiza luči dva hormona: oksitocin i ADH. Glavna fiziološka dejstva oksitocina ispoljavaju se na nivou mioepitelijalnih ćelija koje oblažu kanaliće u

mlečnim žlezdama. Oksitocin izaziva kontrakciju tih ćelija, što omogućava lučenje mleka. Takodje izaziva kontrakcije uterusa. Pred kraj trudnoće uterus postaje veoma osetljiv na oksitocin. Ovaj efekat zavisi od nivoa estrogena i progesterona u krvi. Alkohol blokira sekreciju oksitocina.

17.1.2. Hipotalamični hormoni

U odgovarajućim parvicelularnim nukleusima hipotalamusa sintetišu se hormoni koji kontrolišu rad adenohipofize. Ovi hormoni se u nivou eminencije medijane sekretuju iz aksonskih završetaka, i tako dospevaju do primarnog kapilarnog spleta, a zatim kroz portne sudove i do ćelija adenohipofize. U hipotalamusu se sintetišu sledeći hormoni: somatotropni hormon-oslobadjajući hormon (STH-RH, GRH), somatotropni hormon-inhibirajući hormon (somatostatin, SS), tireostimulirajući hormon-oslobadjajući hormon (TSH-RH, TRH), adrenokortikotropni hormon-oslobadjajući hormon (ACTH-RH, CRH), gonadotropni hormon-oslobadjajući hormon ( GnRH), prolaktin-inhibirajući hormon (faktor) (PIF), prolaktin-stimulirajući hormon (PRF), melanostimulirajući hormon-oslobađajući hormon (MSH-RH) i melanostimulirajući hormon-inhibirajući hormon (MSH-IH). GnRH sintetišu neuroni koji su raspoređeni anteriorno duž bazalnog dela treće moždane komore. Tela neurona koji sintetišu somatostatin i ACTH-RH smeštena su u dorzalnom parvocelularnom delu NPV. Neuroni koji sintetišu STH-RH, TRH, GnRH i dopamin nađena su u arkuatnom nukleusu koji prepokriva eminenciju medijanu u podu treće moždane komore. Hipotalamični hormoni su peptidi, i nastaju obradom velikih prekursorskih molekula koje u svom sastavu mogu da imaju i do 190 aminokiselina. STH-RH je polipeptid od 44 aminokiseline, TSH-RH je tripeptid, ACTH-RH je polipeptid od 41 aminokiseline, GnRH je dekapeptid, somatostatin je peptid od 14 aminokiseline.

Ostali hormoni su takođe peptidne priorde, osim PIF koji je ustvari dopamin. Svi hormoni hipotalamusa oslobađaju se procesom egzocitoze. Promene u nivou sekrecije pojedinih hormona predstavljaju u stvari promenu frekvence oslobađanja sadržaja vezikula procesom egzocitoze.

17.2. Regulacija produkcije adenohipofiznih hormona

Adenohipofiza sadrži više različitih tipova ćelija. Zavisno od prisustva ili odsustva citoplazmatskih granula koje se boje određenim histološkim bojama, razlikuju se acidofilne, bazofilne i hromofobne ćelije. Acidofilnim ćelijama pripadaju somatotropne koje sintetišu hormon rasta (GH, STH) i laktotropne koje sintetišu prolaktin (PRL). Bazofilnim ćelijama pripadaju kortikotropne koje sintetišu adrenokortikotropni hormon (ACTH) i β-lipotropin (a kod čoveka i melanostimulirajući hormone, MSH, obzirom da srednji režanj hipofize nije razvijen), tireotropne koje sintetišu tireostimulirajući hormon (TSH), i gonadotropne ćelije koje sintetišu gonadotropne hormone: luteinizirajući hormon (LH) i folikulostimulirajući hormon (FSH). Ćelije adenohipofize sadrže u plazma membrani specifične G-protein zavisne receptore za odgovarajući hormon hipotalamusa koji kontroliše sekreciju (i sintezu) hormona koji ta ćelija produkuje. U najvećem broju slučajeva ta kontrola je stimulatorne prirode, sem kada su u pitanju hormoni hipotalamusa somatostatin i prolaktin-inhibirajući faktor čije dejstvo na nivou odredjenih ćelija adenohipofize dovodi do inhibicije sekrecije (i sinteze) datog hormona.

Hormon rasta je proteinski hormon koji se sastoji od oko 200 aminokiselina, a sadrži dva disulfidna mosta. Po hemijskoj strukturi sličan je prolaktinu. Oba hormona deluju na ciljne ćelije preko specifičnih citokinskih receptora. ACTH je polipeptid koji sadrži

39 aminokiselina. Nastaje od velikog prekursorskog molekula pro-opiomenokortina (POMC) od koga nastaju još neki hormoni adenohipofize, kao što su α-, β- i γ-MSH, β- i γ-lipotropini, i α-, β- i γ-endorfini (Sl. 133). ACTH na ciljne ćelije deluje preko specifičnih G-protein zavisnih receptora koji aktiviraju AC. Tireostimulirajući hormona je glikoprotein i sastoji se od dve subjedinice. Alfa-subjedinica ista je kao kod LH i FSH, dok je β-subjedinica specifična i obezbeđuje biološku aktivnost. Receptori za ovaj hormon su takođe G-protein zavisni receptori koji aktiviraju AC. LH i FSH su, kao što je rečeno, glikoproteini u kojima β-subjedinica ima biološku aktivnost. Receptori u ciljnim ćelijama su G-protein zavisni receptori koji aktiviraju AC.

17.2.1. Hormon rasta

U mladih životinja kod kojih epifize dugih kostiju nisu spojene sa dijafizama, hipofizeoktomija inhibiše rast, a STH ga stimuliše. Povećano lučenje STH kod odraslih osoba rezultira pojavom akromegalije (karakteristične deformacije kostiju i mekih tkiva). Predpostavlja se da su efekti STH na hrskavicu indirektni i posredovani peptidom somatomedinom koji produkuje jetra i druga tkiva. STH stimuliše sekreciju ovog peptida.

Sl. 133. Proopiomelanokortin i hormoni koji od njega nastaju.

1 1

STH povećava anabolizam proteina delujući na nivou translacije (završne faze sinteze proteina koja se odvija u ribozomima), a takodje povećava i transport amino kiselina u ćeliju. STH ima dijabetogeni efekat, jer povećava izlazak glukoze iz jetre, a na mišiće deluje anti-insulinski. Povećanje nivoa šećera u krvi stimuliše β-ćelije Langerhansovih ostrvaca endokrinog dela pankreasa da sekretuju insulin koji anabolički deluje na metabolizam proteina (to je jedan od načina kako STH stimuliše rast). STH takodje povećava koncentraciju slobodnih masnih kiselina, što je izvor energije u stresnim situacijama.

Kontrola sinteze i sekrecije STH prikazana je na sl. 134. Hipotalamus produkuje STH-RH i somatostatin koji regulišu sintezu i sekreciju STH. Presecanje hipofizne drške blokira sekreciju STH, što znači da je STH-RH dominirajući faktor. STH-RH stimuliše sekreciju STH, a STH stimuliše produkciju somatomedina u jetri i drugim tkivima. To su faktori rasta, a jedan od njih je i insulinu sličan faktor rasta-I (IGF-I). IGF-I inhibiše sekreciju STH na nivou adenohipofize, a na nivou hipotalamusa stimuliše sekeciju somatostatina. Povećano oslobađanje somatostatina smanjuje sekreciju STH iz adenohipofize, pa se sekretuje manje IGF-I, a to smanjuje negativan efekat na nivou adenohipofize i stimulaciju sekrecije somatostatina.

Faktori koji povećavaju sekreciju STH. Nedostatak energetskih supstrata (hipoglikemija, mišićni rad, gladovanje), povećanje nekih amino kiselina u krvi, glikogen, stresni stimulusi (pirogeni, psihološki stresovi), početak spavanja.

Fiziologija rasta. Rast je kompleksan fenomen na koji ne utiču samo STH i somatomedini, nego i hormoni štitne žlezde, androgeni, estrogeni, glukokortikoidi i insulin. Takodje zavisi i od naslednih faktora i odgovarajuće ishrane. Period rasta zavisi od vrste životinja. Na primer, pacova raste čitavog života mada je brzina rasta manja

kod odraslih u odnosu na mlade. Kod čoveka postoje dva perioda brzog rasta, u prvoj godini života (nastavak fetalnog rasta) i u periodu puberteta. Drugi period u vreme puberteta je pod uticajem STH, androgena i estrogena. Rast tokom puberteta delom je izazvan anaboličkim efektom androgena, a pokazan je porast sekrecije androgena iz kore nadbubrega kod oba pola. Mada i androgeni i estrogeni inicijalno stimulišu rast, estrogeni hromoni su odgovorni za zatvaranje epifiza i prekid rasta dugih kostiju. Ako se na primer izvrši kastracija kod čoveka pre puberteta on raste i nakon puberteta jer nedostaje estradiol iz testisa i epifize ostaju otvorene.

17.2.2. Tireostimulirajući hormon

TSH stimuliše sekreciju tiroksina (T4) i trijodtironina (T3), hormona štitne žlezde. T4 i T3 su derivati amino kiseline tirozin koji sadrže jod. Utiču na povećanje

potrošnje O2 (kalorigeno delovanje), na rast i sazrevanje organizma, regulišu metabolizam lipida. T4 i T3 povećavaju utrošak O2 u svim tkivima, sem u mozgu, gonadama i adenohipofizi. Tiroksin i trijodtironin su neophodni za diferencijaciju i razvoj nervnog sistema tokom embriogeneze.

Sl. 135. Kontrola sekrecije TSH i tiroksina i trijodtironina.

Na sl. 135 prikazana je kontrola produkcije TSH i hormona štitne žlezde. TRH iz hipotalamusa stimuliše sekreciju TSH koji stimuliše sintezu T4 i T3. Porast nivoa T4 i T3 u krvi negativnom povratnom spregom smanjuje produkciju TSH direktno na nivou hipofize, kao i preko hipotalamusa, Na nivou hipotalamusa, hladnoća povećava oslobadjanje TSH-RH, odnosno TSH (izraženo kod eksperimentalnih životinja i dojenčadi, kod odraslih efekat minimalan), dok toplota ima inhibitorni efekat.

Smanjen nivo T4 i T3 (hipotireoza), može da bude posledica poremećaja na nivou štitne žlezde, hipofize ili hipotalamusa. Označava se kao miksedem, a praćeno je smanjenjem bazalnog metabolizma i do 40% (potrošnja O2 u bazalnim uslovima, bez fizičkog i mentalnog rada), kosa je proredjena, koža suva, a hladnoća se teško podnosi, govor je spor, mentalna aktivnost spora.

Povećan nivo T4 i T3 (hipertireoidizam) je praćen gubitkom težine, tremorom ruku, povećanjem bazalnog metabolizma (do 100%), poremećajima kardiovaskularnog sistema. Kretenizam je bolest koja se javlja odmah po rodjenju dece koja su hipotireoidna. Patuljastog su rasta, mentalno zaostala. Najčešći uzrok kretenizma bio je ranije nedostatak joda u hrani majke tokom trudnoće. Od kada se koristi jodirana so, pojava kretenizma je smanjena. Ako kod odrasle osobe u hrani nema dovoljno joda (<10mg/dan), sinteza T4 i T3 se smanjuje, pa se povećava lučenje TSH što dovodi do hipertrofije tkiva štitne žlezde (gušavost, endemska gušavost).

17.2.3. Adrenokortikotropni hormon

Od lučenja ACTH zavisi bazalna sekrecija glukokortikoida izazvana stresom. Glukokortikoidi (kortizol i kortikosteron) su hormoni kore nadbubrega. Pored njih ćelije kore nadbubrega luči mineralokortikoide (aldosteron) i male količine androgenih hormona. Svi ovi hormoni su steroidne prirode. Glukokortikoidi utiču na metabolizam proteina (povećavaju katabolizam), ugljenih hidrata i masti, u perifernim tkivima deluju antiinzulinski jer povećavaju nivo glukoze u krvi, utiču na metabolizam vode ( u nedostatku glukokortikoida postoji nesposobnost izlučivanja većih količina vode)

Patološki efekti glukokortikoida. Povećan nivo glukokortikoida izaziva tzv. Kušingov sindrom (može biti rezultat tumora koji produkuju glukokortikoide ili hipersekrecije ACTH). U ovoj bolesti povećan je

Sl. 134. Kontrola sekrecije hormona rasta.

1 1

katabolizam proteina, pa su koža i potkožno tkivo tanki, rast kose je inhibisan, udovi su tanki, a masno tkivo gomila se na stomaku, licu i gornjem delu ledja. Dolazi do psihičkih poremećaja.

Sl. 136. Kontrola sekrecije ACTH i glukokortikoida

Regulacija sekrecije ACTH i glukokortikoida prikazana je na sl. 136. Tokom dana lučenje ACTH ispoljava diurnalni ritam, pa nivo kortizola prati oscilacije u nivou ACTH. Kod čoveka povećan nivo ACTH u krvi javlja se ujutro. Ako se u eksperimentu osoba izoluje, a njene dnevne aktivnosti rastegnu na duže vreme na 24 časa, adrenalni ciklus se produžuje. Povećano oslobadjanje ACTH u stresnim situacijama, rezultat je stimulacije preko hipotalamusa, gde konvergiraju mnogi nervni putevi. Emocije, traume, hemijski podražaji mogu da stimulišu sekreciju ACTH-RH (CRH), što stimuliše sekreciju ACTH, odnosno povećava se nivo glukokortikoida. Povećan nivo glukokortikoida u krvi negativnom povratnom spregom na nivou hipotalamusa

i adenohipofize smanjuje sekreciju ACTH-RH, odnosno ACTH. Veličinu lučenja ACTH tokom stresa, odredjuje zbir nervnih impulsa koji preko hipotalamusa stimulišu sekreciju ACTH, kao i inhibitorno dejstvo glukokortikoida. Hronično povećani nivoi glukokortikoida dovode do inhibicije aktivnosti imunog sistema. Stoga su osobe izložene dugotrajnom stresu podložnije bolestima.

17.2.4. Gonadotropni hormoni

Gonadotropni hormoni su LH I FSH. Razvitak i sazrevanje reproduktivnog sitema zavise u mnogome od integracije humoralnih i nervnih faktora. Danas je opšte prihvaćena teorija neuroendokrine regulacije reproduktivne funkcije kod oba pola. Hipotalamus ima centralnu ulogu u ovoj regulaciji preko kontrole sekrecije gonadotropnih hormona adenohipofize. Kao gonadotropni hormoni podrazumevaju se LH i FSH, mada njima treba pridružiti i neke funkcije PRL. Hipotalamo-hipofizno-gonadna osovina reaguje na promene u spoljašnjoj i unutrašnjoj sredini organizma, pri čemu hipotalamus predstavlja glavni centar prijema informacija, i centar odašiljanja poruka koje modifikuju aktivnost adenohipofize, a time i gonada.

Menstrualni i estrusni ciklusKod ženskog pola reproduktivni sistem pokazuje regularne ciklične promene. Kod primata ove promene označene su kao menstrualni ciklus, a kod ostalih sisara kao estrusni ciklus. Ove ciklične promene na nivou organa za reprodukciju rezultat su cikličnog lučenja gonadalnih hormona, a to je rezultat cikličnog lučenja gonadotropnih hormona, odnosno hormona u hipotalamusu koji regulišu njihovu sekreciju. Postoje ciklične promene na nivou ovarijuma, uterusa i vagine.

Ovarijalni ciklus. U času radjanja u ovarijumu se nalaze tzv. primordijalni folikuli. U početku svakog ciklusa (posle puberteta) nekoliko ovih folikula raste. Kod žene

oko 6-og dana od početka ciklusa jedan folikul u jednom ovarijumu nastavlja sa rastom, a ostali degenerišu. Taj folikul se razvija i formira se tzv. zreli de Graff-ov folikul. Negde u sredini ciklusa zreli folikul puca i to je proces ovulacije, u kome jajna ćelija biva izbačena iz ovarijuma. Jajnu ćeliju prihvataju fimbrije na kraju jajovoda i ona se transportuje u uterus. Folikul koji je za vreme ovulacije prsnuo razvija se u žuto telo (corpus luteum koji sadrži ćelije bogate lipidima). Ćelije žutog tela luče estradiol i progesteron. Ako ne dodje do oplodnje, nakon odredjenog perioda od ovulacije žuto telo degeneriše i na tom mestu stvara se tzv. corpus albicans. Prvi deo ciklusa do ovulacije naziva se folikularna faza , a onaj posle ovulacije lutealna faza.

Sl. 137. Hormonska kontrola menstrualnog ciklusa, kontrola sekrecije gonadotropnih hormona.

U ovarijumu, odredjene ćelije folikula koji raste sintetišu estrogene (najpotentniji je estradiol). Sinteza estradiola odvija se pod kontrolom LH i FSH. LH kontroliše steroidogeni put od holesterola do androstendiona, odnosno testosterona, a FSH kontroliše aromatizaciju androgena u estrogene. Takodje odredjene ćelije u

ovarijumu produkuju jedan polipeptid inhibin koji direktno na nivou adenohipofize može da inhibiše FSH. Na početku menstrualnog ciklusa, nivo inhibina je mali i nivo FSH u folikularnoj fazi je nešto viši što verovatno izaziva početak razvoja folikula. Nivo LH je takodje nešto viši nego u lutealnoj fazi ciklusa i neophodan je za proces steroidogeneze (LH stimuliše inicijaciju steroidogeneze tj. transport holesterola u mitohodnrije u kojima od progesterona nastaje pregnenolon) u folikulu koji raste. Trideset šest do četrdeset osam sati pre ovulacije dejstvo rastućeg nivoa estradiola na nivou hipotalamusa postaje pozitivno i to inicira preovulatorni talas LH. Naime, estradiol na nivou hipotalamusa stimuliše GnRH-neurone da povećaju frekvencu oslobađanja GnRH. Portalnim krvotokom on stiže do adenohipofize i izaziva dramatično povećanje frekvence oslobađanja LH što predstavlja preovulatorni talas. Ovulacija se javlja 9 h nakon LH talasa. LH oslobobođen u preovulatornom talasu odgovoran je za proces ovulacije, kao i za formiranje žutog tela koje sintetiše progesteron, estradiol i inhibin. Trajanje žutog tela je genetski programirano. Takođe, povećani nivoi estradiola i progesterona tokom lutealne faze inhbišu

Sl. 138. Nivo FSH, LH, estradiola i progesterona u serumu tokom folikularne i lutealne faze ciklusa.

1 1

LH, sledi regresija žutog tela i novi ciklus može da započne (Sl. 137).

Treba naglasiti da povratno dejstvo estrogena (pozitivno, negativno) na nivou hipotalamusa zavisi od nivoa ovih hormona u krvi, vremena delovanja itd. Npr. umerena konstantna količina estrogena u krvi ispoljava negativno povratno dejstvo na sekreciju LH, dok tokom ciklusa povećani nivo estradiola ispoljavaju pozitivno povratno dejstvo i stimulišu sekreciju GnRH, odnosno LH. Ispitivanja na majmunima su pokazala da postoji odredjeno minimalno vreme za koje estrogeni hormoni moraju da budu povećani da bi ispoljili pozitivno povratno dejstvo na sekreciju GnRH. Ako se nivo estradiola u krvi poveća 300% tokom 24 h, on ispoljava samo negativno delovanje na nivou hipotalamo-hipofiznog sistema. Ako se poveća 300% tokom 36 h, dolazi do kratkotrajnog pada u sekreciji LH koja je praćena eruptivnim oslobadjanjem LH iz adenohipoifize (slično preovulatornom talasu LH). Ako su istovremeno i nivo progesterona i estradiola u krvi visoki, pozitivno dejstvo estradiola izostaje.

Ovaj biološki ritam reproduktivne funkcije kod ne-primata označen je kao estrusni, a kod primata kao menstrualni ciklus (prisutan menzis, kao način uklanjanja proliferisanog endometrijuma i pripreme uterusa za novi ciklus, ukoliko ne dođe do oplodnje). Kod ne-primata postoje tzv. refleksni i spontani ovulatori. Naime, kod mačke i zeca, ovulacija je neuroendokrini refleks, i da bi došlo do ovulacije prvo treba da dođe do stimulacije genitalija i drugih senzornih stimulusa tokom koitusa što omogućava preovulatorni talas LH i ovulaciju. Kod spontanih ovulatora, ovulacija se javlja u pravilnim intervalima neposredno pre faze estrusa.

Hipotalamo-hipofizno-testikularni sistemKod mužjaka nema ciikličnog oslobadjanja gonadotropnih hormona, kao kod ženke. Tokom fetalnog razvoja testisi luče velike količine testosterona koji utiče na tzv.

“maskulinizaciju” hipotalamičnih neurona i hipotalamus gubi sposobnost cikličnog oslobadjanja GnRH. Odnos testosteron-LH predstavlja negativnu povratnu spregu (sl. 139). Hormon inhibin koji se sintetiše u seminifernim tubulama inhibiše sekreciju FSH na nivou adenohipofize. Na nivou testisa, LH stimuliše sintezu i sekreciju testosterona delujući na Lajdigove (Leydig) ćelije u testisu. FSH je neophodan za proces spermatogeneze zajedno sa testosteronom, a reguliše i funkciju Sertolijevih ćelija u seminifernim tubulama. U testisu se sintetišu i minimalne količine etradiola, odnosno prisutan je enzim aromataza koji katališe sintezu estradiola od testosterona ili androstendiona.

Sl. 139. Kontrola sekrecije gonadotropnih hormona kod muškog pola.

17.2.5. ProlaktinProlaktin (PRL) je hormon prisutan u hipofizi kičmenjaka. Ima veoma raznovrsne uloge. U odnosu na reprodukciju kod sisara, PRL utiče na razvoj mlečnih žlezda i na laktaciju, na ispoljavanje roditeljskog ponašanja, ima luteotropnu funkciju kod miša i pacova, povećava vezivanje estradiola u uterusu pacova, kod mužjaka pacova sineregistički sa androgenima deluje na rast akcesornih seksualnih organa i potencira dejstvo LH na Lajdigove ćelije. Ukoliko se adenohipofiza odvoji od hipotalamusa, dolazi do dramatičnog povećanja produkcije PRL, što ukazuje na inhibitorno dejstvo hipotalamus. Prolaktin inhibirajući hormon je najverovatnije dopamin koji se sintetiše u arkuatnom nukleusu u mediobazalnom delu hipotalamusa. Predpostavlja se da postoji i prolaktin-oslobadjajući hormon koji se uključuje u odredjenim situacijama. Pokazano je da prolaktin kratkom negativnom povratnom spregom kontroliše sopstvenu produkciju, najverovatnije povećavajući nivo prolaktin inhibirajućeg faktora (PIF). Estradiol direktno na nivou adenohipofize stimuliše sekreciju prolaktina. Takodje, TRH stimuliše oslobadjanje prolaktina.

1 1

Summary

This script is designed to provide a concise summary of the basic principles in general animal physiology. It is aimed to different profiles of the students of Biology, either as a complete learning material, or as a basic text that can be supplemented with additional literature.

The first part of the script presents comprehensive overview of transport across cell membrane (passive and active), with special accent on different types of ion channels. Also, ionic gradients as a source of cell energy, osmolarity, osmotic pressure, tonicity, processes of exocytosis and endocytosis are explained.

Following sections are concerned with the physiology of excitable tissues i.e. nerve and muscle cells. Starting with the description of morphology of neuron, glia cells and neurotrophins, the text leads to the thorough explanation of physical and chemical principles that govern the generation of the electrical membrane potential in cells. This section deals with the terms of stimulus and excitability, resting (non-gated) ion channels and important principles underlying resting membrane potential, electrical equivalent circuit model of membrane, together with local signaling including passive electrical properties of neuron and graded potentials. This gives a necessary background to the study of cellular mechanism of propagating signaling - action potential. Here is presented the role of voltage-gated ion channels in generation of action potential, ionic basis of excitation and conduction, characteristics of action potential and its comparison to graded potential. Also, certain factors influencing the action potential velocity are explained.

Third section deals with mechanical and electrical properties of muscles: skeletal, cardiac, and smooth. Morphology of each muscle type is explained, and

followed by description of molecular basis of muscle contractions as well as excitation-contraction coupling. This is strongly supported by the most recent data on the ionic basis of action potentials, with special accent on different types of ion channels involved in its generation in different cell types. For skeletal muscle, fundamental properties of different types of contractions, relation between muscle length, tension and velocity of contraction are given. Also, text consists the brief overview of energy source and metabolism in skeletal muscle. Following specifities of cardiac muscle are presented: pacemaker potential and factors influencing pacemaker potential, action potential with plateau, contractile response, absence of summation, extrasystole, relation between length and tension, electrocardiogram. Presentation of visceral smooth muscle is covered by description of factors influencing its contraction, relation between length and tension, plasticity, as well as multi-unit smooth muscle.

Next section deals with the synaptic transmission and neuromuscular junction. It starts with explanation of chemical synapses, and in this part following topics are covered: functional anatomy of the synapses, sequence of events during transmission, excitatory and inhibitory postsynaptic potential, factors influencing neurotransmitter release, presynaptic facilitation and inhibition. Special attention is paid to neurotransmitters themselves. Small-molecule substances, neuropeptides and other transmitters and cotransmiters are presented, together with their receptors, mechanism of action, and metabolism. Part that is referred to neuromuscular junction is concerned with the mechanism by which action potential activity in motor neuron can be passed along to the cells of the muscle, causing the muscle cells to contract. As in other events, molecular mechanism of the synaptic transmission is especially stressed.

The script lead us to brief introduction to perception, where mechanism of transduction and generator potential

Beleške

10

in receptors are explained, together with coding of sensory information. This is followed by section that presents fundaments in functional organization of the nervous system, which includes interneuron circuits, monosynaptic and polysynaptic reflexes. Next part of the script gives an overview of functional organization of sensory systems. For each system, some of the general principles are presented, and followed by molecular mechanisms of sensations. Following sensory systems are presented: coetaneous sensation (touch, warm, cold, pain); vision (paying special attention to the neural part of the eye, the retina, and phototransduction and information processing in it); hearing (stress is on hear cell function and transduction mechanism, coding of frequency and amplitude of sound); sense of balance (organ of balance, function of vestibular hair cells); chemical senses - smell and taste (olfactory transduction, transduction in gustatory receptor cells). For each sensory system, central nerve pathways are described. The script also covers general principles of control of posture and movement, together with corticospinal and corticotubular system and posture-regulating system (spinal integration and spinal reflexes, medullary, midbrain and cortical components, basal ganglia and cerebellum). Also, one section is dedicated to arousal, sleeping, and electrical activity of the brain.

Following section of the script consists of description of functional organization of autonomic nervous system, with special accent to molecular basis of chemical transmission at autonomic junctions. Explanation of responses of efector organs is also included. This section is followed by the part that studies central regulation of visceral function with the role of hypothalamus as a central issue in control of food and water intake and thermoregulation.

Neural basis of instinct behavior and emotions are also described. Briefly, this section covers limbic functions,

sexual behavior, fear and rage, motivation and addiction, and explains the connection between brain chemistry and behavior. Higher functions of nervous system, learning and memory, are separately studied, and special attention was paid to molecular basis of learning and memory.

In the end, general principles of endocrine regulation are given. Here is also included explanation of mechanisms of hormone actions, presentation of hypothalamo-hypophyseal system and its importance in endocrine regulation, regulation of production of adenohypophyseal hormones and hormone regulation of menstrual and estrous cycle.

In general, the intention of the authors was to, in clear and brief manner, enable students to get insight into up-to-date interpretations of relevant aspects of physiology of nerve, muscle and receptor cells with some basic themes from physiology of the nervous system, and general principles in endocrine regulation. We hope that the script will be a good base for understanding and discussing mechanisms underlying basic physiological processes, and useful help in qualifying students for further university education and research.

CIP - Katalogizacija u publikacijiBiblioteka Matice srpske, Novi Sad

591.1(075)

OPŠTA fiziologije životinja : skripta za studentebilogije / Radmila Kovačević ... [al.l. - Novi Sad :Prirodno matematički fakultet, Departman za bilogiju iekologiju ; Beograd : WUS, 2005 (Novi Sad : Daniel Print).- 190 str. : ilustr. ; 21 cm

Tiraž: 200. - Rezime na engl. jeziku

ISBN 86-7031-036-81. Kovačević, Radmilaa) Životinje - Fiziologija

COBISS.SR-ID 01