background image

 

Nerve Cell Physiology 

 

by 

 

Dr.Rafea Al-Fayyadh 

Al-fallujah Medicine College 

2016 

  رافع عاوي الفياض


background image

The Cells of the Nervous System 

• The human nervous system is comprised of two kinds of cells: 

Neurons 

Glia 

• The human brain contains approximately 

100 billion 

individual 

neurons. 

• Behavior depends upon the communication between neurons. 

  رافع عاوي الفياض


background image

The Cells of the Nervous System 

• Like other cells in the body, neurons contain the following 

structures: 

1. Membrane 

2. Nucleus 

3. Mitochondria 

4. Ribosomes 

5. Endoplasmic reticulum 

 

  رافع عاوي الفياض


background image

The Cells of the Nervous System 

• The 

membrane

  refers  to  the  structure  that  separates  the  inside  of 

the cell from the outside environment. 

• The 

nucleus

 refers to the structure that contains the chromosomes. 

• The 

mitochondria

  are  the  structures  that  perform  metabolic 

activities and provides energy that the cells requires. 

• Ribosomes

  are  the  sites  at  which  the  cell  synthesizes  new  protein 

molecules 

 

  رافع عاوي الفياض


background image

Embedded  in  the  membrane  are  protein  channels  that  permit 
certain ions to cross through the membrane at a controlled rate. 

  رافع عاوي الفياض


background image

The Cells of the Nervous System 

• Neuron cells are similar to other cells of the body but have a 

distinctive shape. 

• A 

motor neuron

 has its soma in the spinal cord and receives excitation 

from other neurons and conducts impulses along it axon to a muscle. 

• A 

sensory neuron

 is specialized at one end to be highly sensitive to a 

particular type of stimulation (touch, temperature, odor etc.) 

 

  رافع عاوي الفياض


background image

The components of  motor neuron.  

  رافع عاوي الفياض


background image

The components of sensory neuron  

Note that the soma is located on a stalk off the main trunk of the axon 

  رافع عاوي الفياض


background image

The Cells of the Nervous System 

• All neurons have the following major components: 

1. Dendrites. 

2. Soma/ cell body. 

3. Axon. 

4. Presynaptic terminals. 

  رافع عاوي الفياض


background image

The Cells of the Nervous System 

• Dendrites

:  branching  fibers  with  a  surface  lined 

with  synaptic  receptors  responsible  for 

bringing 

in information from other neurons

  رافع عاوي الفياض

10 


background image

The Cells of the Nervous System 

• Soma: 

contains  the  nucleus,  mitochondria,  ribosomes,  and 

other structures found in other cells. 

responsible for the metabolic work of the neuron

  رافع عاوي الفياض

11 


background image

The Cells of the Nervous System 

• Axon: 

thin  fiber  of  a  neuron  responsible  for 

transmitting  nerve 

impulses 

away to other neurons, glands, or muscles. 

 

• Some neurons are covered with an insulating material called the 

myelin sheath

 with interruptions in the sheath known as 

nodes of 

Ranvier. 

  رافع عاوي الفياض

12 


background image

The Cells of the Nervous System

 

  رافع عاوي الفياض

13 


background image

Nodes of Ranvier 

  رافع عاوي الفياض

14 


background image

Nodes of Ranvier

 

  رافع عاوي الفياض

15 


background image

The Cells of the Nervous System 

• Presynaptic  terminals 

refer  to  the  end  points  of  an 

axon 

responsible 

for 

releasing 

chemicals 

to 

communicate with other neurons. 

  رافع عاوي الفياض

16 


background image

The Cells of the Nervous System 

• Terms  used  to  describe  the  neuron  include  the 

following: 

• Afferent  axon 

-  refers  to  bringing  information  into  a 

structure. 

• Efferent axon

  -  refers  to  carrying  information  away  from  a 

structure. 

  رافع عاوي الفياض

17 


background image

  رافع عاوي الفياض

18 


background image

The Cells of the Nervous System 

• Glia

 are the other major component of the nervous 

system and include the following: 

• Astrocytes 

helps synchronize the activity of the axon by 

wrapping around the presynaptic terminal and taking up 

chemicals released by the axon.

 

• Microglia 

- remove waste material and other microorganisms 

that could prove harmful to the neuron.

 

  رافع عاوي الفياض

19 


background image

Shapes of some glia cells  

  رافع عاوي الفياض

20 


background image

  رافع عاوي الفياض

21 


background image

  رافع عاوي الفياض

22 


background image

  رافع عاوي الفياض

23 


background image

  رافع عاوي الفياض

24 


background image

The Cells of the Nervous System 

• (Types of glia: 

• Oligodendrocytes

 & 

Schwann cells

- build the myelin sheath 

that surrounds the axon of some neurons.

 

• Radial glia

- guide the migration of neurons and the growth of 

their axons and dendrites during embryonic development. 

  رافع عاوي الفياض

25 


background image

blood-brain barrier

 

• The 

blood-brain barrier

 is a mechanism that surrounds the brain 

and blocks most chemicals from entering. 

• Because  neurons  in  the  brain  generally  do  not  regenerate,  it  is 

vitally  important  for  the  blood  brain  barrier  to  block  incoming 

viruses, bacteria or other harmful material from entering. 

  رافع عاوي الفياض

26 


background image

The blood-brain barrier 

  رافع عاوي الفياض

27 


background image

The Cells of the Nervous System 

• Active transport

 is the protein mediated process by which useful 

chemicals are brought into the brain. 

• Glucose, hormones, amino acids, and vitamins are brought into the 

brain via 

active transport

• Glucose is a simple sugar that is the primary source of nutrition for 

neurons. 

• Thiamine 

is a chemical that is necessary for the use of glucose.

 

  رافع عاوي الفياض

28 


background image

Basic schematic of excitable cell 

  رافع عاوي الفياض

29 


background image

Types of ion channels 

  رافع عاوي الفياض

30 


background image

Types of ion channels

 

  رافع عاوي الفياض

31 


background image

Important ions equilibrium potential 

  رافع عاوي الفياض

32 


background image

Resting membrane potential 

  رافع عاوي الفياض

33 


background image

Resting membrane potential 

  رافع عاوي الفياض

34 


background image

Sodium-Potassium Exchange Pump 

What is the purpose of pumping sodium 

and potassium across a membrane?  

  رافع عاوي الفياض

35 


background image

Who win the battle? 

  رافع عاوي الفياض

36 


background image

The Na+/K+ ATPase pump 

 

• The 

sodium-potassium pump

 is a 

protein complex 

that continually 

pumps 

three  sodium  ions 

out  of  the  cells  while  drawing 

two 

potassium ions into 

the cell.  

• Function

:  it  helps  to  maintain  the  electrical  gradient  and  restore 

the cell from action potential to resting potential state(

maintaining a 

low intracellular concentration of Na+, keeping the inside of the cell negative

)

  رافع عاوي الفياض

37 


background image

The sodium and potassium gradients for a resting membrane 

  رافع عاوي الفياض

38 


background image

Resting membrane potential 

  رافع عاوي الفياض

39 


background image

Resting membrane potential 

  رافع عاوي الفياض

40 


background image

Resting membrane potential 

  رافع عاوي الفياض

41 


background image

The action  potential  

The   action  potential  is  a  rapid  depolarization  followed by  a  

repolarization (return of membrane potential to rest). 

 The  function is: 

•  Nerves: conduct neuronal signals 

•  Muscle: initiate a contraction 

 

  رافع عاوي الفياض

42 


background image

The action  potential  

  رافع عاوي الفياض

43 


background image

The action  potential phases 

 

  رافع عاوي الفياض

44 


background image

The Nerve Impulse 

• A 

nerve impulse

 is the electrical message that is transmitted 

down the axon of a neuron. 

• The impulse does not travel directly down the axon but is 

regenerated at points along the axon. 

• The speed of nerve impulses ranges from approximately 

1 m/s  

to 100 m/s

  رافع عاوي الفياض

45 


background image

The Nerve Impulse 

• The 

resting potential

 of a neuron refers to the state of the neuron 

prior to the sending of a nerve impulse. 

• The membrane of a neuron maintains an 

electrical gradient

 which is a 

difference in the electrical charge inside and outside of the cell. 

  رافع عاوي الفياض

46 


background image

The Nerve Impulse 

• The membrane is 

selectively permeable, 

allowing some 

chemicals to pass more freely than others. 

• Sodium, potassium, calcium, and chloride pass through 

channels in the membrane. 

• When the membrane is at rest: 

• Sodium channels are closed

• Potassium channels are partially closed. 

  رافع عاوي الفياض

47 


background image

Ion channels in the membrane of a neuron  

  رافع عاوي الفياض

48 


background image

Voltage-gated Ion Channels 

Voltage-gated (fast)  Na+ 

Channels 

The  opening of these  channels is 

responsible for  the  

rapid 

depolarization phase

 (upstroke) 

of the  action potential.  

It has 2 gates and  3 

conformational states

  رافع عاوي الفياض

49 


background image

Voltage-gated Ion Channels 

  رافع عاوي الفياض

50 


background image

Voltage-activated channels

 

• Voltage-activated channels

 are membrane channels whose 

permeability depends upon the voltage difference across the 
membrane. 

• Sodium channels are voltage activated channels. 

• When sodium channels are opened, positively charged sodium 

ions rush in and a subsequent nerve impulse occurs. 

  رافع عاوي الفياض

51 


background image

Voltage-activated channels

 

• After an action  potential occurs, 

sodium  channels  are  quickly 

closed

• The  neuron  is  returned  to  its  resting  state  by  the 

opening  of 

potassium channels. 

 

• potassium ions flow out due to the concentration gradient and take 

with them their positive charge. 

• The  sodium-potassium  pump  later  restores  the  original 

distribution of ions. 

  رافع عاوي الفياض

52 


background image

Voltage-gated Ion Channels 

  رافع عاوي الفياض

53 


background image

Subthreshold Stimulus 

 Important points regarding these  stimuli are: 

  

 The  degree of depolarization is related to the  magnitude of the  stimulus. 

 The  membrane repolarizes (returns to rest). 

 It  can    summate,  which  means  if another  stimulus  is  applied  before  repo-

larization is complete, the  depolarization of the  second stimulus adds onto 

the  depolarization of the  first  (the  2 depolarizations sum together). 

  رافع عاوي الفياض

54 


background image

Subthreshold Stimulus 

  رافع عاوي الفياض

55 


background image

Threshold Stimulus 

If the  initial stimulus is 
great  enough to  depolarize 
the  neuron to  threshold, 
then an  action potential 
results. 

  رافع عاوي الفياض

56 


background image

Steps of the action  potential  

1. At threshold, a critical mass  of fast Na+ channels open, resulting in 

further depolarization and the  opening of more fast Na+ channels. 

2. Because Na+ conductance is high, the membrane potential rapidly 

approaches the  equilibrium potential for Na+ (- +70 m V). 

3. As membrane potential becomes positive, fast Na+ channels begin 

to inactivate, resulting in a rapid reduction in Na+ conductance. 

  رافع عاوي الفياض

57 


background image

Steps of the action  potential  

4. Voltage-gated K+ channels open in response to the depolarization, 

but  since  their  kinetics  are    much  slower,  the  inward  Na+  current 

(upstroke of the action potential) dominates initially. 

5. K+ conductance begins to rise  as more channels open. As the rise  

in  membrane  potential  approaches  its    peak,  fast    Na+    channels 

are  inactivating,  and  now  the  neuron  has  a  high  K+  conductance 

and a low  Na+  conductance. 

  رافع عاوي الفياض

58 


background image

Steps of the action  potential  

6. The  high  K+  conductance  drives  membrane  potential  toward  K+ 

equilibrium ( -95  mV) resulting in a rapid repolarization. 

7. As  membrane  potential  becomes  negative,  K+  channels  begin  to 

close,  and  K+  conductance  slowly  returns  to  its    original  level. 

However, 

because 

of 

the 

slow 

kinetics, 

period 

of 

hyperpolarization occurs. 

  رافع عاوي الفياض

59 


background image

Steps of the action  potential 

 

  رافع عاوي الفياض

60 


background image

Steps of the action  potential 

 

  رافع عاوي الفياض

61 


background image

  رافع عاوي الفياض

62 


background image

the action  potential phases

 

  رافع عاوي الفياض

63 


background image

the action  potential phases

 

  رافع عاوي الفياض

64 


background image

Key points in action  potential  

  رافع عاوي الفياض

65 


background image

Properties of action potentials 

  رافع عاوي الفياض

66 


background image

Refractory period

 

• After  an  action  potential,  a  neuron  has  a 

refractory 

period

  during  which  time  the  neuron  resists  another 

action potential. 

• The 

absolute  refractory  period

  is  the  first  part  of  the 

period  in  which  the  membrane 

can  not

  produce  an 

action potential. 

• The 

relative refractory period

 is the second part in which 

it take a stronger than usual stimulus to trigger an action 
potential. 

  رافع عاوي الفياض

67 


background image

Properties of action potentials 

  رافع عاوي الفياض

68 


background image

Neuromuscular Junction (NMJ) 

 

The synapse between the axons of an 

alpha-motor neuron 

and  a 

skeletal  muscle  fiber 

is  called  the 

neuromuscular 

junction

    (NMJ).  The  terminals  of  alpha-motor  neurons 

contain acetylcholine (Ach).

 

  رافع عاوي الفياض

69 


background image

Neuromuscular Junction (NMJ) 

 

  رافع عاوي الفياض

70 


background image

Sequence of events in neuromuscular junction 

1) The 

action potential 

travelling down the motor neuron depolarizes 

the presynaptic membrane. 

2) This  depolarization 

opens  voltage-gated  Ca2+  channels 

in  the 

presynaptic membrane, resulting in Ca+ influx into the presynaptic 

terminal. 

3) The  rise  in  Ca+  causes  synaptic  vesicles  to 

release  their 

contents(Ach)

  رافع عاوي الفياض

71 


background image

Sequence of events in neuromuscular junction 

4) Ach  binds  to  a  nicotinic  receptor 

located  on  the  muscle  membrane  lead  to 

depolarization

. This depolarization is called an end-plate potential (EPP).  

5) The    resulting  depolarization 

opens  fast  Na+  channels 

on  the    muscle 

membrane (sarcolemma) causing an 

action potential in the  sarcolemma

.   

6) The  actions of Ach are terminated by 

acetylcholinesterase (AchE),  

an enzyme 

located on the  postsynaptic membrane that breaks down Ach into 

choline and 

acetate.  

  رافع عاوي الفياض

72 


background image

Synapses Between Neurons 

 

  رافع عاوي الفياض

73 


background image

Postsynaptic potential types 

 

  رافع عاوي الفياض

74 


background image

Postsynaptic potential types 

 

  رافع عاوي الفياض

75 


background image

Chapter summery 

  رافع عاوي الفياض

76 


background image

Chapter summery 

  رافع عاوي الفياض

77 




رفعت المحاضرة من قبل: عمر الجبوري
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 262 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل