Úvod

Podnetom môžu byť rozličné formy pohybu (energie), ktoré vyvolávajú svojím pôsobením na dráždivé tkanivá fyzikálno-chemické zmeny v bunkovej membráne charakterizované ako dráždivosť (vznik podráždenia), resp. vzrušivosť (vznik nervového vzruchu). Dráždivosťou rozumieme zmenu pokojového membránového potenciálu v zmysle depolarizácie, resp. hyperpolarizácie, vzrušivosťou rozumieme schopnosť odpovedať vznikom vzruchu (akčného potenciálu)

Kvalita podnetu

Je dôležitá najmä z hľadiska vzniku podráždenia v nervových zakončeniach, pretože každý typ receptora je svojou štruktúrou prispôsobený transformácii určitého typu energie na elektrické signály tzv. adekvátny podnet.

Intenzita podnetu

Je to množstvo špecifickej energie schopné vyvolať elektrický signál (vzruch) (tabulka 1).

Podprahové podnety	Prahové podnety	Nadprahové podnety
Podnety nízkej intenzity, ktoré nie sú schopné vyvolať podráždenie s následným vznikom vzruchu.	Podnety s najnižšou intenzitou, ktoré vyvolávajú vznik akčných potenciálov.	Podnety s väčšou intenzitou, kde akčné potenciály vznikajú s rovnakou amplitúdou.

 

Tabuľka 1. Podprahové, prahové a nadprahové podnety.

Trvanie podnetu

Je to čas pôsobenia prahového podnetu na vyvolanie odpovede.

Rýchlosť zmien intenzity podnetu

Rozhodujúcu úlohu pri vzniku akčného potenciálu (vzruchu) nemá samotná intenzita podnetu, ale rýchlosť, akou sa intenzita podnetu mení (Du Bois-Reymondovo pravidlo).

Veľmi pomalé narastanie intenzity elektrického podnetu má za následok akomodáciu nervového vlákna, ktorá sa prejavuje zvýšením prahovej hodnoty alebo úplným vymiznutím odpovede.

Príčinou zmien intenzity podráždenia je nedostatočný počet otvorených sodíkových kanálov potrebných na spustenie akčného potenciálu, čo súvisí s ich pomalou inkativáciou ak sa membrána udržuje na úrovni čiastočnej depolarizácie. Pri pomalej depolarizácii sa otvárajú draslíkové kanále a ióny draslíka difundujú von z bunky s výsledným repolarizačným efektom.

Membrány a vedenie vzruchu

	Dráždivá membrána	Vzrušivá membrána
Reaktibilita na podnety	Dráždivá chemicky	Dráždivá elektricky
Zmena polarizácie	Depolarizácia i hyperpolarizácia	Len depolarizácia
Podstata zmeny polarizácie	Zvýšenie priepustnosti pre všetky ionty (depolarizácia) alebo pre K+ a Cl- (hyperpolarizácia)	Zvýšenie priepustnosti pre Na+
Časový priebeh odpovede	Odpoveď spojitá Dlhá latencia	Odpoveď „všetko alebo nič“ Krátka latencia
Elektrografický prejav	Pomalý potenciál	Hrot (spike), zlomky ms
Propagácia	Nešíri sa	Šíri sa
Farmakologické ovplyvnenie	Citlivosť na farmaká	Malá citlivosť na farmaká
Vzájomné vzťahy	Ovplyvňuje vzrušivú membránu v susedstve (na určitej úrovni depolarizácie vzniká vzruch)	Vybavuje sekréciu mediátora na synapsii

Tabuľka 2. Vlastnosti dráždivej (nevodivej) a vzrušivej (vodivej) membrány.

Pokojový membránový potenciál

Pokojový membránový potenciál je primárne určovaný K⁺ koncentračným gradientom a pokojovou permeabilitou pre K⁺, Na⁺ a Cl^- ióny, pričom zmena v gradiente a permeabilite bude meniť taktiež membránový potenciál.

Membrána neurónu v pokoji je málo permeabilná pre Na⁺. Akonáhle sa zvýši permeabilita pre Na⁺, Na⁺ bude vstupovať do bunky v smere svojho elektrochemického gradientu a membrána sa bude depolarizovať.

Akonáhle sa zvýši permeabilita pre K⁺, K⁺ bude vystupovať z bunky a membrána sa bude hyperpolarizovať. Hyperpolarizáciu môže spôsobiť aj vstup Cl^-, ktorý bude vstupovať do bunky z extracelulárneho priestoru

Ako membrána mení svoju permeabilitu pre ióny?

Neuróny obsahujú vrátkované kanále, ktoré prechádzajú medzi otvoreným a uzatvoreným stavom závisiac na intracelulárnych a extracelulárnych podmienkach.

Poznáme 4 hlavné typy selektívnych iónových kanálov v neuróne:

• Na⁺ kanále;
• K⁺ kanále;
• Ca²⁺ kanále;
• Cl^- kanále.

Niektoré iónové kanále môžu byť väčšinu svojho času v otvorenom stave, alebo môžu mať vrátkovací mechanizmus, ktorý sa otvára alebo zatvára v reakcii na zvláštne podnety:

• Mechanické vrátkovacie kónové kanále sú zistené v senzorických neurónoch a otvárajú sa v reakcii na fyzikálne sily ako tlak a napätie.
• Chemické vrátkovacie iónové kanále u väčšiny neurónov odpovedajú na rôznorodé ligandy, ako extracelulárne neurotransmitery a neuromodulátory alebo intracelulárne signálne molekuly.
• Voltážové vrátkovacie iónové kanále odpovedajú na zmeny v membránovom potenciáli. Tieto kanále hrajú dôležitú úlohu v začiatku a vedení elektrických signálov.

Membránové elektrické signály

Membránové elektrické signály môžu byť klasifikované do troch základných typov:

• Stupňované potenciály;
• Akčné potenciály;
• Elektrotonické potenciály.

Stupňované potenciály sú rôzne silné signály, ktoré prechádzajú cez krátke vzdialenosti a strácajú silu ako prechádzajú cez bunku. Sú používané pre komunikácie na krátke vzdialenosti. Zmena membránového potenciálu môže mať charakter depolarizácie, vyvolanej zvýšenou priepustnosťou pre ióny Na⁺, alebo hyperpolarizácie, ktorá vzniká najčastejšie zvýšením priepustnosti pre ióny Cl^- a K⁺. Je to šírenie sa s dekrementom a neplatí tu zákon „všetko, alebo nič“.

Akčný potenciál

Obr. 1. Schéma akčného potenciálu.

1. Pokojový membránový potenciál;
2. Depolarizujúci podnet;
3. Membrána sa depolarizuje k prahu. Voltáž-vrátkovacie Na⁺ kanále sa otvárajú a Na⁺ vstupuje do bunky. Voltáž-vrátkovacie K⁺ kanále sa začínajú pomaly otvárať.
4. Bunka sa depolarizuje rýchlym vstupom Na⁺;
5. Na⁺ kanále sa zatvárajú a pomalšie K⁺ kanále sa otvárajú (hrotový potenciál).
6. K⁺ sa pohybuje z bunky do extracelulárneho prostredia;
7. K⁺ kanále zostávajú otvorené a dodatočný K⁺ opúšťa bunku, ktorú hyperpolarizuje (následná depolarizácia);
8. Voltáž vrátkovacie K⁺ kanále sa zatvárajú a menej K⁺ uniká z bunky (následná hyperpolarizácia).
9. Bunka sa vracia do svojej pokojovej permeabilite pre ióny a k pokojovému membránovému potenciálu.

Elektrotonické potenciály

• Katelektrotonus – zvyšuje dráždivosť a vodivosť nervového vlákna, pretože približuje úroveň polarizácie membrány k úrovni potrebnej na vznik akčného potenciálu, pridávaním negatívneho náboja.
• Anelektrotonus – znižuje dráždivosť a vodivosť nervového vlákna, pretože hyperpolarizuje membránu pridávaním pozitívneho náboja.

Excitabilita nervového vlákna

• Absolútna refraktérna fáza – neurón je úplne nedráždivý.
• Relatívna refraktérna fáza – neurón možno podráždiť nadprahovým podnetom.

Vedenie vzruchu

Akčný potenciál sa hneď po svojom vzniku šíri po membráne daného nervového vlákna konštantnou rýchlosťou bez dekrementu, t.j. pri zachovaní svojej pôvodnej amplitúdy a tvaru.

Poznáme dva typy vedenia vzruchu:

• Prostredníctvom vzniku miestnych prúdov – vedenie v nemyelizinovaných nervových vláknach.
• „Preskakovaním“ akčného potenciálu z jedného Ranvierovho zárezu na ďalší (saltatórne vedenie vzruchu) – vedenie v myelizinovaných nervových vláknach.

V prirodzených podmienkach sa vzruch šíri nervovým vláknom len jedným smerom, t.j. od receptora k najbližšej synapse alebo od synapsy k príslušnému zakončeniu neurónu – ortodrómne vedenie. Pri axónovom reflexe sa vzruchy šíria zo senzitívnych zakončení nervového vlákna po najbližšie vetvenie a ďalej pokračujú po inej vetve toho istého senzorického vlákna k arteriolám, kde vyvolávajú vazodilatáciu – antidrómne vedenie.

Synapsa

Synapsou sú označované všetky funkčné spojenia medzi membránami dvoch buniek, z ktorých je aspoň jedna neurón. To znamená, že za synapsiu považujeme:

• Špecializované interneurónové spojenia v CNS;
• Spojenia medzi sekundárnou zmyslovou bunkou a neurónom pri vstupe informácie (neuroreceptorové spojenia);
• Spojenie medzi neurónom a efektorom pri výstupe informácie (neuroefektorové synapsy).

Poznáme:

• Axodendritické synapsy;
• Axosomatická synapsy;
• Synapsy na synapse
• Synapsy na iniciálnom segmente.

Podľa charakteru prenosu signálu rozlišujeme:

Elektrické synapsy

• Majú charakter štrbinového spojenia (gap junction)´;
• Vedú vzruch rýchlo a oboma smermi, s minimálnym synaptickým zdržaním;
• Vyskytujú sa hlavne v neurónoch CNS, boli zistené v gliových bunkách, v srdcovom a hladkom svalstve a v neexcitovateľných bunkách, ktoré používajú elektrické signály, ako napríklad beta bunky pankreasu.

Chemické synapsy

• Tvoria väčšinu synáps, ktoré používajú neurotransmitery na prenos vzruchu;
• Elektrický signál presynaptickej bunky je menený na chemický signál, ktorý prechádza synaptickou štrbinou a s kombináciou neurotransmiteru s receptorom na postsynaptickej bunke buď iniciuje elektrickú odpoveď alebo aktivuje cestu druhotného poslíčka.

Chemická synapsa pozostáva z presynaptického neurónu, synaptickej štrbiny a postsynaptického neurónu.

Prevod vzruchov chemickými synapsami

Čo sa deje pri prenose vzruchu synapsou?

1. Akčný potenciál depolarizuje terminál axónu;
2. Depolarizácia otvára voltáž vrátkovacie Ca²⁺ kanále a Ca²⁺ vstupuje do bunky;
3. Vstup vápnika spúšťa exocytózu obsahu synaptických vezikúl za pomoci kontraktilných bielkovín stenínu a neurínu;
4. Neurotransmiter difunduje do synaptickej štrbiny a viaže sa s receptorom na postsynaptickej membráne;
5. Naviazaný neurotransmiter iniciuje odpoveď na postsynaptickej bunke.

Poznáme následujúce receptory na membránach:

Receptory viazané s iónovými kanálmi – sprostredkúvajú rýchle efekty na postsynaptickej membráne. Po väzbe mediátora na receptor viazaný s iónovým kanálom sa otvárajú kanále:

• Pre katióny (Na^+, K⁺), vedú tak k miernej depolarizácii postsynaptickej membrány;
• Pre ióny Cl^-, prípadne K⁺, vedú tak k miernej hyperpolarizácii postsynaptickej membrány.

Receptory neviazané s iónovými kanálmi – po väzbe mediátora na receptor spúšťajú kaskádu enzýmových procesov. Najprv sa aktivuje G-proteín, ktorý priamo interaguje s iónovými kanálmi alebo reguluje tvorbu cAMP a uvolňovanie Ca2+. Zodpovedajú za pomalšie a dlhotrvajúce účinky a predpokladá sa, že majú vzťah k pamäti.

Podľa zmien membránového potenciálu na postsynaptickej bunke poznáme:

• Excitačné synapsy.
• Inhibičné synapsy.

Prevod vzruchov synapsami a integrácia nervovej informácie

Mechanizmy

Obr. 2. Excitácia a inhibícia.

Obr. 3. Konvergencia a divergencia.

Obr. 4. Facilitácia a oklúzia.

Priestorová sumácia

Vzruch prichádza viacerými excitačnými neurónmi na postsynaptický neurón, pričom ich oddelené stupňované potenciály nedosahujú prahovú hodnotu. Stupňované potenciály dosahujú spúšťaciu zónu, kde sa sumujú a vytvoria nadprahový signál a vzniká akčný potenciál.

Časová sumácia

Vzruch prichádza jedným excitačným neurónom na postsynaptický neurón, pričom frekvencia samostatných stupňovaných potenciálov nedosahuje prahovú hodnotu. Stupňované potenciály sa sumujú v závislosti na frekvencii impulzov, vytvoria nadprahový signál a vzniká akčný potenciál.

Útlm

Útlm (inhibícia) je aktívny dej, ktorý je svojou podstatou rovnaký ako excitácia.

Z hľadiska lokalizácie je útlm:

• Periférny – je daný vzťahmi medzi eferentným neurónom a efektorom. Stretávame sa s ním pri inervácii vegetatívnym nervstvom (inervácia srdca, GITu, respiračného systému atď.).
• Centrálny – prebieha na synapsiach centrálneho nervstva. Uskutočňujú ho predovšetkým krátke interneuróny prostredníctvom uvolňovania inhibičného mediátora, ktorý spôsobuje na postsynaptickej membráne hyperpolarizáciu.

Mechanizmus útlmu je spojený s činnosťou dráždivej (nevodivej) membrány. Podľa polarizácie tejto membrány existujú dve formy útlmu:

• Útlm spojený s hyperpolarizáciou – uplatňuje sa subsynaptickej membráne formou postsynaptickej inhibície (postsynaptický inhibičný potenciál)
• Čiastočná protrahovaná depolarizácia – je podstatou presynaptickej inhibície a uplatňuje sa i pri tzv. nadhraničnom útlme.

Neurotransmitery

Sú to látky, ktoré sprostredkúvajú v synapsách chemický prenos nervových informácií. Výsledný efekt synaptického prenosu však nie je podmienený charakterom uvoľňovaného prenášača, ale typom postsynaptických receptorov a ich afinitou k príslušnému mediátoru.

Možno ich rozdeliť do týchto skupín:

• Acetylcholín.
• Amíny – katecholamíny (noradrenalín, adrenalín, dopamín), sérotonín, histamín;
• Aminokyseliny – excitačné (glutamát, kyselina asparágová), inhibičné (kyselina γ-aminomaslová, glycín);
• Polypeptidy – P-substancia, opioidné peptidy (endorfíny, enkefalíny) a podobne.
• Puríny – AMP a ATP.
• Prostaglandíny a ďalšie.
• Difundujúce nešpecifické – NO, CO, H₂S.

Inaktivácia neurotransmiterov

Niektoré neurotransmitery sa môžu vracať do terminálov axónu pre znovupoužitie, alebo sú transportované do gliových buniek. Iné neurotransmitery sú inaktivované enzýmami a iné môžu difundovať zo synaptickej štrbiny preč.

Zpracoval: Doc. RNDr. Pavol Švorc, Ph.D., Katedra fyziologie a patofyziologie LF OU v Ostravě