Summation (Neurophysiologie) - Summation (neurophysiology)

Grundlegende Möglichkeiten, wie Neuronen bei der Umwandlung von Eingabe in Ausgabe miteinander interagieren können

Die Summation , die sowohl die räumliche als auch die zeitliche Summation umfasst , ist der Prozess, der bestimmt, ob ein Aktionspotential durch die kombinierten Wirkungen von erregenden und hemmenden Signalen erzeugt wird, sowohl von mehreren gleichzeitigen Eingaben (räumliche Summation) als auch von wiederholten Eingaben ( zeitliche Summation). Abhängig von der Summe vieler einzelner Eingänge kann die Summation die Schwellenspannung erreichen oder nicht , um ein Aktionspotential auszulösen.

Neurotransmitter, die von den Terminals eines präsynaptischen Neurons freigesetzt werden, fallen in eine von zwei Kategorien , abhängig von den Ionenkanälen, die durch den Neurotransmitterrezeptor gesteuert oder moduliert werden . Exzitatorische Neurotransmitter erzeugen eine Depolarisation der postsynaptischen Zelle, während die durch einen inhibitorischen Neurotransmitter erzeugte Hyperpolarisation die Wirkungen eines exzitatorischen Neurotransmitters abschwächt. Diese Depolarisation wird als EPSP oder exzitatorisches postsynaptisches Potenzial bezeichnet , und die Hyperpolarisation wird als IPSP oder inhibitorisches postsynaptisches Potenzial bezeichnet .

Die einzigen Einflüsse, die Neuronen aufeinander haben können, sind Erregung, Hemmung und – durch modulatorische Transmitter – die gegenseitige Erregbarkeit. Aus einer so kleinen Menge grundlegender Interaktionen kann eine Kette von Neuronen nur eine begrenzte Reaktion hervorrufen. Ein Weg kann durch erregenden Input erleichtert werden; Das Entfernen solcher Eingaben stellt eine Behinderung dar . Ein Weg kann auch gehemmt werden; Die Beseitigung des hemmenden Inputs stellt eine Enthemmung dar , die, wenn andere Erregungsquellen im inhibitorischen Input vorhanden sind, die Erregung verstärken kann.

Wenn ein bestimmtes Zielneuron Eingaben von mehreren Quellen empfängt, können diese Eingaben räumlich summiert werden, wenn die Eingaben rechtzeitig genug ankommen, dass der Einfluss der am frühesten eintreffenden Eingaben noch nicht nachgelassen hat. Wenn ein Zielneuron eine Eingabe von einem einzelnen Axonterminal empfängt und diese Eingabe in kurzen Intervallen wiederholt auftritt, können sich die Eingaben zeitlich summieren.

Geschichte

Das Nervensystem wurde Ende des 19. Jahrhunderts erstmals in allgemeine physiologische Studien einbezogen, als Charles Sherrington begann, die elektrischen Eigenschaften von Neuronen zu testen. Seine wichtigsten Beiträge zur Neurophysiologie umfassten das Studium des Knie-Ruck- Reflexes und die Schlussfolgerungen, die er zwischen den beiden reziproken Kräften der Erregung und Hemmung zog. Er postulierte, dass der Ort, an dem diese modulatorische Reaktion auftritt, der Interzellularraum eines unidirektionalen Weges neuronaler Schaltkreise ist. Er stellte die mögliche Rolle der Evolution und der neuronalen Hemmung zuerst mit seiner Vermutung vor, dass „höhere Zentren des Gehirns die erregenden Funktionen der unteren Zentren hemmen“.

Ein Großteil des heutigen Wissens über die chemische synaptische Übertragung wurde aus Experimenten gewonnen, die die Auswirkungen der Acetylcholinfreisetzung an neuromuskulären Verbindungen , auch Endplatten genannt, analysierten . Zu den Pionieren auf diesem Gebiet gehörten Bernard Katz und Alan Hodgkin, die das Riesenaxon der Tintenfische als experimentelles Modell für die Erforschung des Nervensystems verwendeten. Die relativ große Größe der Neuronen ermöglichte die Verwendung von Elektroden mit feinen Spitzen, um die elektrophysiologischen Veränderungen zu überwachen, die über die Membran fluktuieren. 1941 erhellte Katz' Einführung von Mikroelektroden in den Ischiasnerv gastrocnemius der Froschschenkel das Feld. Es wurde bald verallgemeinert, dass allein das Endplattenpotential (EPP) das Muskelaktionspotential auslöst, das sich durch Kontraktionen der Froschschenkel manifestiert.

Eine der bahnbrechenden Erkenntnisse von Katz in Studien, die 1951 mit Paul Fatt durchgeführt wurden , war, dass spontane Veränderungen des Potenzials der Muskelzellmembran auch ohne Stimulation des präsynaptischen Motoneurons auftreten. Diese Potentialspitzen ähneln Aktionspotentialen, außer dass sie viel kleiner sind, typischerweise weniger als 1 mV; sie wurden daher Miniatur-Endplattenpotentiale (MEPPs) genannt. 1954 zeigte die Einführung der ersten elektronenmikroskopischen Bilder postsynaptischer Terminals, dass diese MEPPs durch synaptische Vesikel erzeugt wurden, die Neurotransmitter tragen. Die sporadische Freisetzung von Quantenmengen von Neurotransmittern führte zur "Vesikel-Hypothese" von Katz und del Castillo, die die Quantisierung der Transmitterfreisetzung auf ihre Assoziation mit synaptischen Vesikeln zurückführt. Dies zeigte Katz auch, dass die Generierung von Aktionspotentialen durch die Summation dieser einzelnen Einheiten ausgelöst werden kann, die jeweils einem MEPP entsprechen.

Typen

Ein Diagramm der zeitlichen Summation.

Zu jedem beliebigen Zeitpunkt kann ein Neuron postsynaptische Potenziale von Tausenden anderer Neuronen erhalten. Ob die Schwelle erreicht und ein Aktionspotential erzeugt wird, hängt von der räumlichen (dh von mehreren Neuronen) und zeitlichen (von einem einzelnen Neuron) Summation aller Eingaben zu diesem Zeitpunkt ab. Es wird traditionell angenommen, dass je näher eine Synapse am Zellkörper des Neurons ist, desto größer ist ihr Einfluss auf die endgültige Summation. Dies liegt daran, dass postsynaptische Potentiale durch Dendriten wandern , die eine geringe Konzentration an spannungsgesteuerten Ionenkanälen enthalten . Daher wird das postsynaptische Potenzial abgeschwächt, bis es den Neuronenzellkörper erreicht. Der Neuronenzellkörper fungiert als Computer, indem er die eingehenden Potentiale integriert (addiert oder summiert). Das Nettopotential wird dann an den Axonhügel übertragen , wo das Aktionspotential ausgelöst wird. Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist die Summation von erregenden und hemmenden synaptischen Eingängen. Die räumliche Summation einer hemmenden Eingabe macht eine erregende Eingabe zunichte. Dieser häufig beobachtete Effekt wird als inhibitorisches „Shunting“ von EPSPs bezeichnet.

Räumliche Summation

Räumliche Summation ist ein Mechanismus zum Auslösen eines Aktionspotentials in einem Neuron mit Input von mehreren präsynaptischen Zellen. Es ist die algebraische Summierung von Potentialen aus verschiedenen Eingangsbereichen, meist auf den Dendriten . Die Summation von exzitatorischen postsynaptischen Potentialen erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Potential das Schwellenpotential erreicht und ein Aktionspotential erzeugt, wohingegen die Summation von inhibitorischen postsynaptischen Potentialen verhindern kann, dass die Zelle ein Aktionspotential erreicht. Je näher der dendritische Eingang am Axonhügel liegt, desto mehr beeinflusst das Potential die Wahrscheinlichkeit des Auslösens eines Aktionspotentials in der postsynaptischen Zelle.

Zeitliche Summation

Eine zeitliche Summation tritt auf, wenn eine hohe Frequenz von Aktionspotentialen im präsynaptischen Neuron postsynaptische Potentiale hervorruft, die sich miteinander summieren. Die Dauer eines postsynaptischen Potentials ist länger als das Intervall zwischen eingehenden Aktionspotentialen. Wenn die Zeitkonstante der Zellmembran ausreichend lang ist, wie dies beim Zellkörper der Fall ist, wird die Summe der Summation erhöht. Die Amplitude eines postsynaptischen Potentials zum Zeitpunkt des Beginns des nächsten wird algebraisch damit summiert und erzeugt ein größeres Potential als die einzelnen Potentiale. Dadurch kann das Membranpotential die Schwelle erreichen , um ein Aktionspotential zu erzeugen.

Mechanismus

Neurotransmitter binden an Rezeptoren, die Ionenkanäle in der postsynaptischen Zelle öffnen oder schließen, wodurch postsynaptische Potentiale (PSPs) entstehen. Diese Potentiale verändern die Wahrscheinlichkeit, dass ein Aktionspotential in einem postsynaptischen Neuron auftritt. PSPs gelten als erregend, wenn sie die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass ein Aktionspotential auftritt, und als hemmend, wenn sie die Wahrscheinlichkeit verringern.

Glutamat als anregendes Beispiel

Der Neurotransmitter Glutamat zum Beispiel ist vor allem dafür bekannt, dass er bei Wirbeltieren exzitatorische postsynaptische Potentiale (EPSPs) auslöst. Experimentelle Manipulation kann die Freisetzung des Glutamats durch die nicht-tetanische Stimulation eines präsynaptischen Neurons bewirken. Glutamat bindet dann an AMPA-Rezeptoren, die in der postsynaptischen Membran enthalten sind, was den Einstrom positiv geladener Natriumatome verursacht. Dieser Natriumfluss nach innen führt zu einer kurzfristigen Depolarisation des postsynaptischen Neurons und eines EPSP. Während eine einzelne Depolarisation dieser Art möglicherweise keinen großen Einfluss auf das postsynaptische Neuron hat, können wiederholte Depolarisationen, die durch Hochfrequenzstimulation verursacht werden, zu einer EPSP-Summation und zum Überschreiten des Schwellenpotentials führen.

GABA als hemmendes Beispiel

Im Gegensatz zu Glutamat dient der Neurotransmitter GABA hauptsächlich dazu, inhibitorische postsynaptische Potenziale (IPSPs) bei Vertebraten auszulösen. Die Bindung von GABA an einen postsynaptischen Rezeptor bewirkt die Öffnung von Ionenkanälen, die entweder einen Einstrom von negativ geladenen Chloridionen in die Zelle oder einen Ausstrom von positiv geladenen Kaliumionen aus der Zelle bewirken. Die Wirkung dieser beiden Optionen ist die Hyperpolarisation der postsynaptischen Zelle oder IPSP. Die Summation mit anderen IPSPs und kontrastierenden EPSPs bestimmt, ob das postsynaptische Potenzial den Schwellenwert erreicht und ein Aktionspotenzial im postsynaptischen Neuron auslöst.

EPSP und Depolarisation

Solange das Membranpotential unterhalb der Schwelle für Zündimpulse liegt, kann das Membranpotential Eingänge aufsummieren. Das heißt, wenn der Neurotransmitter an einer Synapse eine kleine Depolarisation verursacht, summiert sich eine gleichzeitige Freisetzung eines Transmitters an einer anderen Synapse, die sich an anderer Stelle auf demselben Zellkörper befindet, zu einer größeren Depolarisation. Dies wird als räumliche Summation bezeichnet und wird durch eine zeitliche Summation ergänzt, wobei aufeinanderfolgende Freisetzungen von Transmittern aus einer Synapse eine progressive Polarisationsänderung bewirken, solange die präsynaptischen Änderungen schneller erfolgen als die Abklingrate der Membranpotentialänderungen im postsynaptischen Neuron. Neurotransmitter-Effekte halten um ein Vielfaches länger als präsynaptische Impulse und ermöglichen dadurch eine Wirkungssummierung. Somit unterscheidet sich das EPSP grundlegend von Aktionspotentialen: Es summiert Eingaben und drückt eine abgestufte Reaktion aus, im Gegensatz zur Alles-oder-Nichts-Reaktion der Impulsentladung.

IPSP und Hyperpolarisation

Zur gleichen Zeit, in der ein bestimmtes postsynaptisches Neuron exzitatorische Neurotransmitter empfängt und summiert, kann es auch widersprüchliche Nachrichten empfangen, die ihm sagen, dass es das Feuern abschalten soll. Diese inhibitorischen Einflüsse (IPSPs) werden durch inhibitorische Neurotransmitter-Systeme vermittelt, die eine Hyperpolarisierung postsynaptischer Membranen bewirken. Solche Effekte werden im Allgemeinen der Öffnung selektiver Ionenkanäle zugeschrieben, die es entweder dem intrazellulären Kalium ermöglichen, die postsynaptische Zelle zu verlassen oder dem extrazellulären Chlorid den Eintritt zu ermöglichen. In jedem Fall besteht der Nettoeffekt darin, die intrazelluläre Negativität zu erhöhen und das Membranpotential weiter von der Schwelle zur Erzeugung von Impulsen wegzubewegen.

EPSPs, IPSPs und algebraische Verarbeitung

Wenn EPSPs und IPSPs gleichzeitig in derselben Zelle erzeugt werden, wird die Ausgangsantwort durch die relative Stärke der erregenden und hemmenden Eingänge bestimmt. Ausgabeanweisungen werden somit durch diese algebraische Verarbeitung von Informationen bestimmt. Da die Entladungsschwelle über eine Synapse eine Funktion der präsynaptischen Salven ist, die auf sie einwirken, und weil ein gegebenes Neuron Äste von vielen Axonen erhalten kann, kann die Übertragung von Impulsen in einem Netzwerk solcher Synapsen stark variieren. Die Vielseitigkeit der Synapse ergibt sich aus ihrer Fähigkeit, Informationen durch algebraisches Summieren von Eingangssignalen zu modifizieren. Die nachfolgende Änderung der Reizschwelle der postsynaptischen Membran kann in Abhängigkeit von der beteiligten Transmitterchemikalie und den Ionenpermeabilitäten verstärkt oder gehemmt werden. Somit fungiert die Synapse als Entscheidungspunkt, an dem Informationen konvergieren, und sie wird durch algebraische Verarbeitung von EPSPs und IPSPs modifiziert. Neben dem IPSP-Hemmmechanismus gibt es eine präsynaptische Art der Hemmung, die entweder eine Hyperpolarisation am gehemmten Axon oder eine anhaltende Depolarisation beinhaltet; ob es sich um ersteres oder letzteres handelt, hängt von den spezifischen beteiligten Neuronen ab.

Aktuelle Forschung

Die von Katz und seinen Zeitgenossen verwendeten Mikroelektroden verblassen im Vergleich zu den heute verfügbaren technologisch fortgeschrittenen Aufnahmetechniken. Die räumliche Summation erhielt viel Aufmerksamkeit in der Forschung, als Techniken entwickelt wurden, die die gleichzeitige Aufzeichnung mehrerer Loci auf einem dendritischen Baum ermöglichten. Viele Experimente beinhalten die Verwendung von sensorischen Neuronen, insbesondere optischen Neuronen, da sie ständig eine variierende Frequenz von sowohl hemmenden als auch erregenden Eingaben enthalten. Moderne Studien zur neuralen Summation konzentrieren sich auf die Abschwächung postsynaptischer Potentiale an den Dendriten und dem Zellkörper eines Neurons. Diese Wechselwirkungen werden als nichtlinear bezeichnet, da die Antwort kleiner ist als die Summe der einzelnen Antworten. Manchmal kann dies auf ein Phänomen zurückzuführen sein, das durch eine Hemmung verursacht wird, die als Shunt bezeichnet wird , was die verringerte Leitfähigkeit von exzitatorischen postsynaptischen Potenzialen ist.

Die Hemmung des Rangierens wird in der Arbeit von Michael Ariel und Naoki Kogo gezeigt, die mit der Aufnahme ganzer Zellen am basalen Sehkern der Schildkröte experimentierten. Ihre Arbeit zeigte, dass die räumliche Summation von exzitatorischen und inhibitorischen postsynaptischen Potentialen die meiste Zeit zu einer Abschwächung der exzitatorischen Reaktion während der inhibitorischen Reaktion führte. Sie stellten auch eine vorübergehende Verstärkung der erregenden Reaktion fest, die nach der Abschwächung auftritt. Als Kontrolle testeten sie die Dämpfung, wenn spannungsempfindliche Kanäle durch einen Hyperpolarisationsstrom aktiviert wurden. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Dämpfung nicht durch Hyperpolarisation verursacht wird, sondern durch eine Öffnung von synaptischen Rezeptorkanälen, die Leitfähigkeitsschwankungen verursacht.

Potenzielle therapeutische Anwendungen

In Bezug auf die nozizeptive Stimulation ist die räumliche Summation die Fähigkeit, schmerzhafte Eingaben aus großen Bereichen zu integrieren, während sich die zeitliche Summation auf die Fähigkeit bezieht, sich wiederholende nozizeptive Reize zu integrieren. Weit verbreitete und lang anhaltende Schmerzen sind charakteristisch für viele chronische Schmerzsyndrome. Dies legt nahe, dass sowohl räumliche als auch zeitliche Summationen bei chronischen Schmerzzuständen wichtig sind. Tatsächlich wurde durch Druckstimulationsexperimente gezeigt, dass die räumliche Summation die zeitliche Summierung von nozizeptiven Eingaben, insbesondere Druckschmerz, erleichtert. Daher kann die gleichzeitige Ausrichtung auf räumliche und zeitliche Summierungsmechanismen der Behandlung chronischer Schmerzzustände zugute kommen.

Siehe auch

Verweise