Pobierz Ćwiczenie 12 Komputerowa symulacja potencjału ... i więcej Streszczenia w PDF z Neurobiologia tylko na Docsity!
Ćwiczenie nr 12
KOMPUTEROWA SYMULACJA POTENCJAŁU CZYNNOŚCIOWEGO
AKSONU
Cel ćwiczenia
Celem tego ćwiczenia jest zbadanie in silico , w jaki sposób przebieg potencjału czynnościowego zależy od właściwości napięciowo-zależnych kanałów sodowych i potasowych. Dokładny (ilościowy) opis tego zjawiska wymaga języka biofizyki, dzięki czemu możemy nie tylko dokładnie opisywać zjawiska bioelektryczności, w szczególności pobudliwości, ale precyzyjnie przewidywać jak zmiana warunków, związana np. z chorobą, wpłynie na te zjawiska. Ćwiczenie to daje studentom wyobrażenie jak neurofizjolog w swojej codziennej praktyce bada i opisuje podstawowe właściwości neurofizjologiczne komórki nerwowej oraz generację potencjałów czynnościowych.
Aparatura
Oprogramowanie komputerowe służące do symulacji pomiarów elektrofizjologicznych „MetaNeuron” opracowane przez Erica Newmana, University of Minnesota.
Część I
Cel: zaznajomienie się z oprogramowaniem MetaNeuron i podstawowymi parametrami opisującymi przebieg potencjału czynnościowego
Przebieg ćwiczenia:
- Uruchom oprogramowanie MetaNeuron. Z rozwijanego menu Lesson wybierz Lesson 4: Axon action potential. Program na podstawie podanych parametrów wyszczególnionych na rysunku poniżej oblicza wartość potencjału błonowego w czasie. Zauważ czerwony wykres na dole okna pokazujący moment zadziałania bodźca pobudzającego (depolaryzującego) akson. Czas trwania aplikacji bodźca depolaryzacyjnego określa parametr Width (ms) (niebieska ramka na rysunku powyżej; domyślna wartość to 0.1ms). Po przekroczeniu progu pobudliwości, generowany jest potencjał czynnościowy.
- Wykreśl w punkcie 1 formularza potencjał czynnościowy wygenerowany dla domyślnych parametrów symulacji. Na przerysowanym wykresie zaznacz strzałką i podpisz: (1) potencjał spoczynkowy (2), czas w którym został zaaplikowany bodziec, (3) fazę depolaryzacji błony, (4) fazę repolaryzacji błony, (5) fazę hiperpolaryzacji.
- Komórki pobudliwe często różnią się zdolnością do generowania oraz samym przebiegiem potencjału czynnościowego. Aby móc porównać kinetykę potencjału czynnościowego i pobudliwość komórki wprowadzimy trzy parametry charakteryzujące potencjał czynnościowy: amplitudę, czas trwania oraz latencję. Poniższy rysunek przedstawia każdy z tych parametrów.
Amplituda potencjału czynnościowego (wyrażona w mV) to różnica między maksymalną wartością potencjału błonowego na szczycie potencjału czynnościowego (Vmax) a spoczynkowym potencjałem błonowym Vm (amplituda = Vmax – Vm; czyli na przedstawionym schemacie, amplituda równa jest: 30mV - (-70mV) = 100mV (niebieska strzałka). Czasu trwania potencjału czynnościowego można określać na kilka sposobów. Dla naszych rozważań parametr ten będziemy mierzyć, jako czas, w którym potencjał błonowy przyjmuje wartość dodatnią. Na przedstawionym powyżej przykładzie czas ten oznaczono pomarańczową strzałką. Aby obliczyć czas trwania potencjału czynnościowego należy znać czas td, w którym potencjał błonowy wynosi 0mV podczas fazy depolaryzacji oraz czas tr, w którym potencjał błonowy wynosi 0mV podczas fazy repolaryzacji. Czas trwania potencjału czynnościowego to różnica tr-td. Na schemacie powyżej jest to około 0.3ms (pomarańczowa strzałka). Latencja potencjału czynnościowego mówi jak szybko od zadziałania bodźca pobudzającego, komórka pobudliwa wygenerowała potencjał czynnościowy. Innymi słowy latencja (wyrażona w milisekundach) opisuje opóźnienie potencjału czynnościowego względem bodźca który go wywołał. Aby obliczyć latencję potencjału czynnościowego należy znać czas tbodziec w którym został zaaplikowany bodziec depolaryzujący oraz czas tVmax w którym potencjał błonowy osiąga wartość maksymalną. Latencja potencjału czynnościowego to różnica tVmax - tbodziec. Na schemacie powyżej jest to około 0.6ms (zielona strzałka).
- Oblicz amplitudę wygenerowanego potencjału czynnościowego, uzyskaną wartość wpisz do tabeli w punkcie 1 formularza. Jak wspomniano, amplituda potencjału czynnościowego to różnica pomiędzy potencjałem błonowym na szczycie potencjału czynnościowego a potencjałem spoczynkowym. Zakładając, że potencjał spoczynkowy błony badanego neuronu Vm wynosi -65mV, aby obliczyć amplitudę należy zmierzyć wartość maksymalną potencjału czynnościowego w jego szczycie ( Vmax ). W tym celu przytrzymując lewy przycisk myszki najedź na szczyt potencjału czynnościowego. W prawym dolnym rogu okna program kolorem żółtym wyświetli wartość potencjału błonowego i kolorem białym wskaże czas w punkcie wskazanym myszką (czas podany jest po słowach Cursor at … ). Następnie oblicz amplitudę potencjału czynnościowego ze wzoru: Vmax - Vm = Vmax -(-65mV) = Vmax+65mV.
- Oblicz czas trwania wygenerowanego potencjału czynnościowego, uzyskaną wartość wpisz w punkcie 1 formularza. Przytrzymując lewy przycisk myszki na wykresie znajdź czasy td i tr , w którym potencjał
- W celu wykonania symulacji: wydłuż okno symulacji zmieniając wartość Sweep duration (ms) na 10. Będziemy pobudzać neuron dwoma bodźcami znając interwał czasowy między nimi. Aby włączyć aplikację drugiego bodźca depolaryzującego zaznaczając kratkę On. Następnie dla parametrów Stimulus 2 wpisz wartość 7 w oknie Delay (ms) (patrz screen poniżej). Program pobudzi neuron dwoma identycznymi bodźcami (a amplitudzie 65 μA): pierwszym w czasie t 1 = 0.5ms i drugim w czasie t 2 = 7. ms, czyli po upływie 7 ms od początku pierwszego bodźca (czerwony wykres w dolnej cześci okna symulacji). Parametr Delay (ms) określa więc po jakim czasie od aplikacji pierwszego bodźca neuron został pobudzany drugim bodźcem.
- Skracaj czas interwału pomiędzy oboma bodźcami zmniejszając wartość Delay (ms) drugiego bodźca względem pierwszego (zielona ramka na rysunku powyżej) w zakresie od 7 do 3 ms. Dlaczego po przekroczeniu pewnej wartości drugi potencjał czynnościowy nie jest generowany? Z dokładnością do 0. ms znajdź najmniejszą wartość czasową interwału stymulacji dla której jest jeszcze generowany drugi potencjał czynnosciowy. Wartość ta obrazuje okres refrakcji względnej potencjału czynnościowego. Uzupełnij punkt 3 formularza.
- Aby zbadać okres refrakcji bezwzględnej należy zmienić intensywność drugiego bodźca stymulującego na wartość maksymalną (wpisz: w polu Amplitude (μA) wartość 400 – czerwona ramka na rysunku powyżej; w polu Delay (ms) wartość 7 – zielona ramka na rysunku powyżej) Skracaj czas interwału pomiędzy oboma bodźcami zmniejszając wartość Delay (ms) drugiego bodźca względem pierwszego w zakresie od 7 do 2 ms. Z dokładnością do 0.1 ms znajdź najmniejszą wartość czasową interwału stymulacji dla której jest jeszcze generowany drugi potencjał czynnosciowy. Wartość ta obrazuje okres refrakcji bezwzględnej potencjału czynnościowego. Uzupełnij punkt 3 formularza.
Część IV
Cel: badanie wpływu oporu wejścia błony neuronu na generowanie potencjału czynnościowego.
Opór wejścia jest wielkością, od której w sposób kluczowy zależy pobudliwość neuronu. W przybliżeniu to odwrotność sumarycznego przewodnictwa całej błony neuronu. W warunkach naszego eksperymentu opór wejścia będzie reprezentowany przez odwrotność przewodnictwa upływności ( gLeak ). Jest to pewne uproszczenie, które przyjmujemy by uniknąć nadmiernej komplikacji symulacji. Im więcej wszystkich kanałów jonowych w danych warunkach pozostaje otwartych, tym większe przewodnictwo całkowite posiada błona neuronu i tym mniejszy jest opór wejścia neuronu. Przeprowadzając symulację odpowiemy na pytanie: który neuron w określonej strukturze mózgu jest łatwiej pobudzany, ten o dużej czy o małej wartości oporu wejścia? To jest kluczowe pytanie, które zadaje sobie neurofizjolog badając komórki pobudliwe.
Przebieg ćwiczenia:
- Przywróć ustawienia standardowe programu poprzez wybranie z rozwijanego menu zakładki File i Restore All to Default (lub skrót Ctrl + D ).
- Aby przeprowadzić symulację należy: wydłużyć okno symulacji do 25 ms wpisując wartość 25 w oknie Sweep duration (ms) ; dla Stimulus 1 należy wydłużyć czas trwania bodźca depolaryzującego do 24 ms wpisując 24 w oknie Width (ms). Zbadamy pobudliwość trzech neuronów: o małym, średnim oraz
dużym oporze wejścia. Policz ile potencjałów czynnościowych wywoła ten sam bodziec aplikowany komórce o dużym oporze wejścia (parametr gLeak (mS/cm2)^ o wartości 0.5), komórce o średnim oporze wejścia (parametr gLeak (mS/cm2)^ o wartości 4) oraz komórce o małym oporze wejścia (parametr gLeak (mS/cm2)^ o wartości 12,5). Pamiętając, że przewodnictwo całkowite (parametr gLeak) jest odwrotnością oporu wejścia uzupełnij tabelę w punkcie 4 formularza. Napisz, w jaki sposób i dlaczego, wraz ze wzrostem oporu wejścia błony zmienia się zdolność neuronu do generowania potencjałów czynnościowych (pamiętaj o prawie Ohma).
Część V
Cel: badanie wpływu zmian przewodnictwa potasowego na przebieg potencjału czynnościowego.
Przebieg ćwiczenia:
- Przywróć ustawienia standardowe programu poprzez wybranie z rozwijanego menu zakładki File i Restore All to Default (lub skrót Ctrl + D ).
- Celem tego zadania jest zbadanie wpływu nadekspresji napięciowo-zależnych kanałów potasowych na przebieg potencjału czynnościowego. W medycynie związki zwiększające aktywność kanałów potasowych bramkowanych napięciem stosowane są np. przy farmakoterapii padaczki. W analizowanym modelu całkowite przewodnictwo błony neuronu dla jonów potasowych definiowane jest przez parametr gK max (mS/cm^2 ). Wartość tego parametru jest proporcjonalna do liczby napięciowo-zależnych kanałów potasowych w błonie neuronu. W celu wykonania symulacji należy przyjąć parametr gK max (mS/cm^2 ) jako równy 50, 70, 100 mS/cm^2. Zmierz czas trwania i latencję uzyskanych potencjałów czynnościowych. Wypełnij tabelę w punkcie 5 formularza.
- Przywróć ustawienia standardowe programu poprzez wybranie z rozwijanego menu zakładki File i Restore All to Default (lub skrót Ctrl + D ).
- Tetraetyloamina (TEA) to toksyna blokująca aktywność napięciowo-zależnych kanałów potasowych. Zbadaj, w jaki sposób aplikacja różnych stężeń TEA wpłynie na generowanie i kinetykę potencjału czynnościowego. W celu wykonania symulacji należy przyjąć parametr gK max (msS/cm^2 ) jako równy 40, 25, 10 mS/cm^2 (im wyższe stężenie TEA tym mniejsza liczba kanałów potasowych jest aktywna, tym samym tym mniejsze jest całkowite przewodnictwo błony neuronu dla jonów potasowych gK max ). Zmierz czas trwania i latencję uzyskanych potencjałów czynnościowych. Wypełnij drugą część tabeli w punkcie 5 formularza. Przeanalizuj uzyskane dane, napisz krótko jak wzrost oraz obniżenie przewodnictwa potasowego wpływają na czas trwania i zdolność do generowania potencjału czynnościowego
Część VI
Cel: badanie wpływu zmian zewnątrzkomórkowego stężenia jonów potasowych na przebieg potencjału czynnościowego
Przebieg ćwiczenia:
- Hiperkaliemia to patologiczny stan nadmiaru jonów potasowych K+^ w surowicy krwi powyżej stężenia 5.5mM. Konsekwencją może być porażenie mięśni, arytmia a nawet zatrzymanie akcji serca. Wykorzystując równanie Nernsta na wartość potencjału równowagowego, oblicz jego wartość dla fizjologicznego stężenia K+^ (5.1mM) oraz średniej ([ ]=10mM) i silnej ([ ]=20mM) hiperkaliemii. Przyjmij: wewnątrzkomórkowe stężenie jonów potasowych [ ] =115mM i temperaturę T równą 290 K.
^ =
^
[^ ]
[ ] = .
[^ ]
[ ] =
[^ ]
[ ] [^ ]
Wpisz obliczone wartości do tabeli w punkcie 6 formularza.
Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu Katedra i Zakład Biofizyki i Neurobiologii
Ćwiczenie 12
Komputerowa symulacja potencjału czynnościowego aksonu
………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………...…..…………………………………………………... Imiona i nazwiska studentów
Wydział: …………………………… nr grupy: …………………………… Data: …………………………….
Ocena: Podpis prowadzącego^ ćwiczenia
1a. Wykreśl poniżej osie współrzędnych i przebieg potencjału czynnościowego wygenerowanego przy domyślnych parametrach symulacji. Zaznacz i podpisz na wykresie charakterystyczne jego części.
Amplituda potencjału czynnościowego [mV]
Czas trwania potencjału czynnościowego [ms]
Latencja potencjału czynnościowego względem bodźca [ms] Vm Vmax Vmax - Vm td tr tr- td tbodziec tVmax tVmax - tbodziec
-65 mV 0.5 ms
1b. Napisz krótko, dlaczego tetrodotoksyna blokuje powstawanie potencjału czynnościowego?
2a. Wpływ intensywności bodźca depolaryzującego na generowanie potencjału czynnościowego.
Intensywność bodźca stymulującego [μA]
Amplituda potencjału czynnościowego [mV]
Latencja potencjału czynnościowego względem bodźca [ms] Vm Vmax Vmax - Vm tbodziec tVmax tVmax - tbodziec 50 -65 mV 0.5 ms 100 -65 mV 0.5 ms 150 -65 mV 0.5 ms 200 -65 mV 0.5 ms Wartość reobazy (^) μA
2b. Napisz krótko czy intensywność bodźca pobudzającego neuron wpływa na amplitudę lub latencję potencjału czynnościowego?
2c. Wpływ czasu trwania bodźca depolaryzującego na generowanie potencjału czynnościowego.
Czas trwania bodźca depolaryzującego [ms]
Intensywność bodźca stymulującego [μA]
Czy został wygenerowany potencjał czynnościowy TAK/NIE 0.1 10 0.4 10 0.8 10 1.2 10 Najkrótszy czas trwania bodźca generującego potencjał czynnościowy (^10) ms
2d. Dlaczego osiągnięcie progu pobudzenia zależy nie tylko od intensywności bodźca depolaryzującego, ale również od jego czasu trwania?
- Analiza refrakcji względnej i bezwzględnej potencjału czynnościowego
Najkrótszy interwał, po którym drugi bodziec o identycznej amplitudzie generuje potencjał czynnościowy [ms] Najkrótszy interwał, po którym drugi bodziec o maksymalnej amplitudzie generuje potencjał czynnościowy [ms]
6a. Wpływ hiperkaliemii na potencjał równowagowy dla jonów potasowych
Zewnątrzkomórkowe stężenie jonów K+ [mM]
Wewnątrzkomórkowe stężenie jonów K+ [mM]
Potencjał równowagowy dla jonów K+^ [mV] Wartość fizjologiczna 5.1 115 Hiperkaliemia 10 115 Silna hiperkaliemia 20 115
6b. Dlaczego przy średniej hiperkaliemii kolejne potencjały czynnościowy generowane są spontanicznie bez aplikacji drugiego bodźca? Podpowiedź: zauważ jak zmienia się spoczynkowy potencjał błonowy.
6c. PYTANIE DLA ZAINTERESOWANYCH. Dlaczego w warunkach silnej hiperkaliemii nie jest generowany potencjał czynnościowy? Podpowiedź: przypomnij, jaki jest mechanizm deinaktywacji napięciowo-zależnych kanałów sodowych.
