תרגול 1 פוטנציאל מנוחה, פוטנציאל פעולה וסינפסות

תשומת לבכם שהשאלות שלהלן לא בדיוק תואמות את השאלות המקוריות מתוך התרגול, ונוצרו במטרה לסייע בלמידה. התרגול משלב את שיעור 1, שיעור 2 ושיעורי התרגול המקוריים.

נושאים מרכזיים

• מפלי ריכוזים של $\ce{Na+}$, $\ce{K+}$, $\ce{Cl-}$ ואניונים תוך־תאיים
• פוטנציאל מנוחה של הממברנה
• פוטנציאל שיווי משקל ומשוואת Nernst
• משוואת Goldman-Hodgkin-Katz
• השפעת חדירות יונית על פוטנציאל המנוחה
• עיכוב תעלות אשלגן
• עיכוב משאבת $\ce{Na+}/\ce{K+ ATPase}$ על ידי Ouabain
• היפרקלמיה והיפוקלמיה
• שלבי פוטנציאל פעולה בנוירון
• תקופה רפרקטורית
• השוואה בין פוטנציאל פעולה בנוירון לבין Cardiomyocyte
• ריכוז כלוריד בעובר והשפעת GABA
• מיאלין, Schwann cells ו־Oligodendrocytes
• סינפסה כימית לעומת סינפסה חשמלית
• שחרור נוירוטרנסמיטר וכניסת $\ce{Ca^{2+}}$
• EPSP, IPSP וסכימה ב־Axon Hillock
• ניקוי נוירוטרנסמיטרים מהמרווח הסינפטי
• Acetylcholine, Nicotinic receptors ו־Muscarinic receptors
• Neuromuscular Junction
• EEG וסנכרון פעילות עצבית
• Synaptic plasticity, Hebb’s rule, NMDA, LTP ו־LTD

לפני השאלות: מה באמת קובע את פוטנציאל המנוחה?

פוטנציאל המנוחה הוא תוצאה של שלושה גורמים עיקריים:

1. ריכוזי היונים בתוך התא ומחוץ לתא.
2. חדירות הממברנה לכל יון.
3. משאבות ותעלות ששומרות על מפלי הריכוזים לאורך זמן.

בנוירון טיפוסי, הממברנה במנוחה חדירה בעיקר ל־$\ce{K+}$ (אשלגן) דרך תעלות דלף. לכן פוטנציאל המנוחה קרוב יחסית לפוטנציאל שיווי המשקל של אשלגן, אבל לא זהה לו, כי יש גם חדירות מסוימת ל־$\ce{Na+}$ ול־$\ce{Cl-}$.

דרך הזיכרון מהתרגול: Salty Banana.

Banana = K+
Salt = Na+

הבננה היא כמו התא: הרבה $\ce{K+}$ בפנים. המלח בחוץ מזכיר את הריכוז הגבוה של $\ce{Na+}$ מחוץ לתא.

פוטנציאל מנוחה, Nernst ו־GHK

שאלה 1: מה קובע את פוטנציאל המנוחה?

איזה משפט מתאר בצורה המדויקת ביותר את פוטנציאל המנוחה של נוירון?

1. הוא נקבע בעיקר על ידי זרימה דינמית של יוני נתרן דרך תעלות דלף פתוחות, השואפת להביא את מתח הממברנה לפוטנציאל שיווי המשקל של יון זה.
2. הוא מתוחזק באופן בלעדי על ידי הפעילות האלקטרוגנית הישירה של משאבת $\ce{Na+}/\ce{K+ ATPase}$, ללא תלות בחדירות הפסיבית של הממברנה ליונים השונים.
3. הוא נובע ממפלי ריכוזים וחדירויות שונות ליונים, בעיקר חדירות גבוהה יחסית ל־$\ce{K+}$.
4. הוא שומר על ערך קבוע של $0 \, \mathrm{mV}$ הודות לפיזור אחיד לחלוטין של מטענים חיוביים ושליליים בין הסביבה התוך־תאית לסביבה החוץ־תאית במצב סטטי.
5. הוא מייצג את שלב ההיפרפולריזציה המקסימלי הנוצר בעקבות פתיחה ממושכת של תעלות אשלגן תלויות מתח מיד לאחר דפולריזציה של הממברנה.

שאלה 2: Nernst לעומת GHK

מה ההבדל העקרוני בין משוואת Nernst לבין משוואת Goldman-Hodgkin-Katz?

1. Nernst מחשבת את השינויים הקינטיים במתח הממברנה במהלך שלב הדה־פולריזציה, בעוד ש־GHK מנבאת את קצב האקסוציטוזה של נוירוטרנסמיטרים למירווח הסינפטי.
2. Nernst מתייחסת ליון אחד, ו־GHK מתחשבת בכמה יונים ובחדירות היחסית של הממברנה אליהם.
3. Nernst מוגבלת לחישוב פוטנציאלים אלקטרוכימיים בשריר הלב המושפע מתעלות סידן, בעוד ש־GHK ייחודית לקביעת מתחי סף בנוירונים בעלי ביטוי גבוה של תעלות נתרן.
4. GHK מתבססת אך ורק על מפל הריכוזים המטבולי של האלקטרוליטים תוך הנחה היפותטית שהממברנה מציגה חדירות אבסולוטית וזהה לכל סוגי היונים בגוף.
5. שתי המשוואות מציגות זהות מתמטית ושתיהן נגזרות ישירות מחוק פיק השני, כאשר ההבדל ביניהן הוא סימון הקבועים התרמודינמיים.

שאלה 3: עיכוב תעלות אשלגן

Given the following information, what would be the resting potential if we gave a drug that inhibits the potassium channel?

במצגת התרגול נעשה שימוש במשוואת GHK עם הנתונים הבאים:

Pk = 0
PNa = 0.04
PCl = 0.45

[K+]o = 5
[K+]i = 140

[Na+]o = 145
[Na+]i = 15

[Cl-]o = 110
[Cl-]i = 10

מה יקרה לפוטנציאל המנוחה כאשר תעלות האשלגן מעוכבות?

1. פוטנציאל המנוחה יישאר סביב $-70 \, \mathrm{mV}$ כי אשלגן אינו משפיע על פוטנציאל מנוחה.
2. פוטנציאל המנוחה יהיה פחות שלילי, בערך $-42 \, \mathrm{mV}$.
3. פוטנציאל המנוחה יהיה חיובי מאוד, בערך $+60 \, \mathrm{mV}$.
4. התא יעבור מיד ריפולריזציה חזקה.
5. לא ניתן לחשב כי GHK לא מתאימה לממברנות ביולוגיות.

Pk = 0

Vm = 61.5 * log10(
  (Pk[K+]o + PNa[Na+]o + PCl[Cl-]i) /
  (Pk[K+]i + PNa[Na+]i + PCl[Cl-]o)
)

Vm = 61.5 * log10(
  (0*5 + 0.04*145 + 0.45*10) /
  (0*140 + 0.04*15 + 0.45*110)
)

Vm = 61.5 * log10(10.3 / 50.1)

Vm ≈ -42.27 mV

שאלה 4: Ouabain ומשאבת נתרן-אשלגן

Ouabain הוא רעלן שמעכב את משאבת $\ce{Na+}/\ce{K+ ATPase}$. מה תהיה ההשפעה שלו על פוטנציאל המנוחה ועל הסיכוי ליצירת פוטנציאל פעולה?

1. בתחילה התא עשוי להיות דפולריזטורי יותר וקל יותר לעירור, אך בהמשך מפלי היונים יקרסו ותיתכן חסימת דפולריזציה.
2. בתחילה התא יהיה היפרפולריזטורי יותר וקשה יותר לעירור, כי עיכוב המשאבה יגרום לכניסת $\ce{K+}$ מוגברת לתא.
3. עיכוב משאבת $\ce{Na+}/\ce{K+ ATPase}$ יגרום מיד לאובדן מוחלט של פוטנציאל המנוחה, ולכן לא יהיה שלב שבו התא קל יותר לעירור.
4. התא יהיה דפולריזטורי יותר וקל יותר לעירור באופן קבוע, כי עיכוב המשאבה מגדיל לאורך זמן את מפל הכניסה של $\ce{Na+}$.
5. פוטנציאל המנוחה לא ישתנה, כי משאבת $\ce{Na+}/\ce{K+ ATPase}$ משפיעה רק אחרי פוטנציאל פעולה ולא בזמן מנוחה.

3 Na+ החוצה
2 K+ פנימה

הערה מקדימה להמשך:

• היפרקלמיה (Hyperkalemia) - רמת האשלגן בדם גבוהה מהנורמה.
• היפוקלמיה (Hypokalemia) - רמת האשלגן בדם נמוכה מהנורמה.

שאלה 5: היפרקלמיה

מקרה 1: מטופל עם אי ספיקת כליות ורמת אשלגן בסרום: $\ce{K+} = 7.2 \, \text{mM}$. כיצד היפרקלמיה תשפיע על פוטנציאל המנוחה של נוירונים ותאי לב, ומה עלול להיגרם?

1. היא תקטין את מפל היציאה של $\ce{K+}$, תגרום לדפולריזציה, ובתאי לב עלולה לגרום להפרעות קצב.
2. היא תגדיל את מפל היציאה של $\ce{K+}$, תגרום להיפרפולריזציה, ובתאי לב עלולה להקשות על יצירת פוטנציאל פעולה.
3. היא תקטין את מפל היציאה של $\ce{K+}$, תגרום להיפרפולריזציה, ולכן תעלה את סף העירור של נוירונים ותאי לב.
4. היא תגרום לדפולריזציה בעיקר בגלל כניסת $\ce{Na+}$ מוגברת לתא, ובתאי לב עלולה לגרום להפרעות קצב.
5. היא לא תשפיע משמעותית על פוטנציאל המנוחה, כי ריכוז $\ce{K+}$ מחוץ לתא חשוב רק בזמן רה־פולריזציה ולא בזמן מנוחה.

שאלה 6: היפוקלמיה

מקרה 2: מטופל עם הקאות קשות ורמת אשלגן בסרום: $\ce{K+} = 2.8 \, \text{mM}$. כיצד היפוקלמיה תשפיע על פוטנציאל המנוחה, וכיצד זה יכול להוביל לחולשת שרירים?

1. היא תגדיל את מפל היציאה של $\ce{K+}$, תגרום להיפרפולריזציה, ותקשה על הגעה ל־threshold.
2. היא תקטין את מפל היציאה של $\ce{K+}$, תגרום לדפולריזציה, ולכן תקל על הגעה ל־threshold.
3. היא תגדיל את מפל הכניסה של $\ce{K+}$, תגרום להיפרפולריזציה, ולכן תגרום להתכווצות שריר חזקה יותר.
4. היא תגרום לכניסת $\ce{Na+}$ מוגברת דרך תעלות דלף, תגרום לדפולריזציה ממושכת, ולכן תוביל לחולשת שרירים.
5. היא תגדיל את מפל היציאה של $\ce{K+}$, תגרום לדפולריזציה, ותקשה על פתיחת תעלות $\ce{Ca^{2+}}$ בשריר.

[K+]o נמוך יותר
→ K+ יוצא יותר בקלות
→ יותר מטען חיובי עוזב את התא
→ פנים התא נעשה שלילי יותר
→ היפרפולריזציה

Hyperkalemia → depolarization
Hypokalemia → hyperpolarization

פוטנציאל פעולה

שאלה 7: שלבי פוטנציאל פעולה בנוירון

איזה רצף מתאר נכון פוטנציאל פעולה בנוירון?

1. פתיחת תעלות $\ce{K+}$ ← דפולריזציה ← פתיחת תעלות $\ce{Na+}$ ← היפרפולריזציה.
2. פתיחת תעלות $\ce{Na+}$ תלויות מתח ← כניסת $\ce{Na+}$ ← דפולריזציה ← אינאקטיבציה של תעלות $\ce{Na+}$ ופתיחת תעלות $\ce{K+}$ ← ריפולריזציה.
3. יציאת $\ce{Na+}$ ← דפולריזציה ← כניסת $\ce{K+}$ ← ריפולריזציה.
4. כניסת $\ce{Cl-}$ תמיד יוצרת פוטנציאל פעולה.
5. פוטנציאל פעולה נוצר ללא תעלות תלויות מתח.

פתרון

התשובה הנכונה היא (2).

פוטנציאל פעולה בנוירון מתחיל כאשר הממברנה מגיעה ל־threshold, בערך: $-55 \, \mathrm{mV}$.

בשלב הזה:

1. תעלות $\ce{Na+}$ תלויות מתח נפתחות.
2. $\ce{Na+}$ נכנס במהירות לתא.
3. הממברנה עוברת דפולריזציה מהירה.
4. בשיא, תעלות $\ce{Na+}$ עוברות אינאקטיבציה.
5. תעלות $\ce{K+}$ תלויות מתח נפתחות באיחור.
6. $\ce{K+}$ יוצא מהתא.
7. הממברנה עוברת ריפולריזציה.
8. לעיתים יש overshoot שלילי - היפרפולריזציה קצרה.

הדגש מהתרגול: פוטנציאל פעולה של נוירון הוא אירוע מהיר מאוד, בערך מילישנייה אחת.

שאלה 8: תקופה רפרקטורית

מהי המשמעות של התקופה הרפרקטורית לאחר פוטנציאל פעולה?

1. זה הזמן שבו קשה או בלתי אפשרי ליצור פוטנציאל פעולה נוסף, בעיקר בגלל מצב תעלות $\ce{Na+}$ ותעלות $\ce{K+}$.
2. זה הזמן שבו קל יותר ליצור פוטנציאל פעולה נוסף, בעיקר בגלל שתעלות $\ce{Na+}$ נשארות פתוחות ותעלות $\ce{K+}$ נסגרות.
3. זה הזמן שבו התא אינו יכול ליצור פוטנציאל פעולה נוסף משום שכל תעלות $\ce{K+}$ עברו אינאקטיבציה מלאה.
4. זה הזמן שבו קשה או בלתי אפשרי ליצור פוטנציאל פעולה נוסף, בעיקר בגלל ירידה בריכוז $\ce{Na+}$ מחוץ לתא.
5. זה הזמן שבו התא חוזר מיד למצב מנוחה מלא, ולכן ניתן ליצור פוטנציאל פעולה נוסף רק אם הסף נמוך יותר מהרגיל.

שאלה 9: פוטנציאל פעולה בשריר לב לעומת נוירון

מה ההבדל המרכזי בין פוטנציאל הפעולה של תא שריר לב חדרי לבין פוטנציאל פעולה של נוירון?

1. בתאי לב חדריים יש plateau ממושך בגלל כניסת $\ce{Ca^{2+}}$, ולכן התקופה הרפרקטורית ארוכה יותר.
2. בתאי לב חדריים יש plateau ממושך בגלל יציאת $\ce{K+}$ מוגברת, ולכן התקופה הרפרקטורית קצרה יותר.
3. בתאי לב חדריים יש plateau ממושך בגלל כניסת $\ce{Na+}$ מתמשכת, ולכן הם מסוגלים לירות פוטנציאלי פעולה בתדירות גבוהה יותר מנוירונים.
4. בתאי לב חדריים פוטנציאל הפעולה קצר יותר בגלל פתיחה מהירה של תעלות $\ce{Ca^{2+}}$, ולכן ההתכווצות מהירה יותר מאשר בנוירון.
5. בתאי לב חדריים אין תקופה רפרקטורית משמעותית בגלל ה־plateau, ולכן הם יכולים לעבור summation כמו שריר שלד.

פתרון

התשובה הנכונה היא (1).

בתאי שריר לב חדריים, פוטנציאל הפעולה ארוך בהרבה מזה של נוירון. הסיבה המרכזית היא שלב ה־plateau, שנובע מפתיחה של תעלות סידן איטיות, בעיקר L-type calcium channels.

ההשפעות התפקודיות:

1. תיאום כיווץ - תאי הלב מתכווצים בצורה מתואמת ולא כירי עצבי קצר.
2. תקופה רפרקטורית ארוכה - מונעת טטנוס בלב ומפחיתה סיכון להפעלה חוזרת מהירה מדי.
3. זמן למילוי חדרים - הלב חייב להתכווץ ולהירגע בקצב שמאפשר מילוי ופליטה.

לעומת זאת, נוירונים צריכים להעביר מידע מהר. לכן פוטנציאל הפעולה שלהם קצר, מהיר ומתאים לקידוד מידע בתדירות ירי.

כלוריד, GABA ועובר

שאלה 10: ריכוז כלוריד בעובר

במוח העובר, רמות $\ce{Cl-}$ בתוך התא גבוהות יותר מאשר מחוץ לתא, בניגוד למצב במוח בוגר.

מה תהיה ההשפעה על הפעלת רצפטורי כלוריד, למשל על ידי GABA?

1. בעובר פתיחת תעלות כלוריד תגרום תמיד לכניסת $\ce{Cl-}$ ולהיפרפולריזציה.
2. בעובר פתיחת תעלות כלוריד יכולה לגרום ליציאת $\ce{Cl-}$, דפולריזציה ותגובה אקסיטטורית.
3. אין לכלוריד השפעה על פוטנציאל הממברנה.
4. GABA תמיד אקסיטטורי גם במבוגר.
5. ריכוז הכלוריד משפיע רק על שריר לב.

פתרון

התשובה הנכונה היא (2).

צריך להבין את הגרדיאנט האלקטרו־כימי:

בנוירון בוגר טיפוסי, ריכוז $\ce{Cl-}$ נמוך יחסית בתוך התא. לכן כאשר נפתחות תעלות כלוריד, $\ce{Cl-}$ נוטה להיכנס לתא, והממברנה נעשית שלילית יותר. זו תגובה אינהיביטורית:

CopyRun

Adult neuron:
GABA_A opens Cl- channels
→ Cl- influx
→ hyperpolarization
→ IPSP

בעובר המצב שונה. ריכוז $\ce{Cl-}$ בתוך התא גבוה יותר, ולכן פוטנציאל שיווי המשקל של כלוריד חיובי יותר. פתיחת תעלות כלוריד יכולה לגרום ליציאת $\ce{Cl-}$ מהתא.

כאשר יון שלילי יוצא מהתא:

CopyRun

negative charge leaves
→ inside becomes more positive
→ depolarization

לכן בעובר, הפעלת רצפטורים כמו GABA_A יכולה להיות אקסיטטורית וליצור EPSP במקום IPSP.

המשפט לזכור:

CopyRun

Adult GABA usually inhibitory.
Fetal GABA can be excitatory.

מיאלין והולכה עצבית

שאלה 11: Schwann cells לעומת Oligodendrocytes

מה ההבדל המרכזי בין Schwann cells לבין Oligodendrocytes?

1. Schwann cells נמצאים ב־CNS ואוליגודנדרוציטים ב־PNS.
2. Schwann cell אחד עוטף מקטע אחד של אקסון אחד ב־PNS, ואוליגודנדרוציט אחד יכול לעטוף מקטעים של כמה אקסונים ב־CNS.
3. Schwann cells יוצרים מיאלין, ואוליגודנדרוציטים אינם יוצרים מיאלין.
4. Schwann cells יוצרים EPSP ואוליגודנדרוציטים יוצרים IPSP.
5. אוליגודנדרוציט אחד עוטף מקטע אחד של אקסון אחד ב־PNS, ו־Schwann cell אחד יכול לעטוף מקטעים של כמה אקסונים ב־CNS.

פתרון

התשובה הנכונה היא (2).

שניהם תאי גלייה שיוצרים מיאלין, אבל הם שייכים למערכות שונות ובנויים אחרת:

תא	מערכת	מאפיין
Schwann cell	PNS	תא אחד עוטף מקטע אחד של אקסון אחד
Oligodendrocyte	CNS	תא אחד שולח שלוחות ויכול לעטוף כמה מקטעים בכמה אקסונים

המיאלין מבודד את האקסון ומאפשר הולכה מהירה יותר. פוטנציאל הפעולה ״קופץ״ בין Nodes of Ranvier, ולכן ההולכה נקראת saltatory conduction.

שאלה 12: דמיאלינציה והאטת הולכה

בחולה עם מחלת דמיאלינציה, למשל טרשת נפוצה, נפגעת מעטפת המיאלין. מה צפוי לקרות להולכה העצבית?

1. ההולכה תהיה מהירה יותר כי אין בידוד.
2. ההולכה תואט או תיכשל, כי הזרם החשמלי דולף והממברנה החשופה פחות יעילה בהעברת האות.
3. ההולכה תואט או תיכשל, למעט במקרה של תא שריר.
4. ההולכה תוגבר אך תיכשל, כי ללא בידוד המיאלין האות יגיע מהר יותר אך לא יוכל להתחדש.
5. ההולכה תואט או תיכשל, אך רק אם מדובר בנוירון מוטורי ולא סנסורי.

less insulation
→ more current leak
→ slower conduction
→ possible conduction failure

סינפסות ותקשורת בין נוירונים

שאלה 13: סינפסה כימית לעומת סינפסה חשמלית

מה ההבדל המרכזי בין סינפסה כימית לבין סינפסה חשמלית?

1. סינפסה חשמלית משתמשת בנוירוטרנסמיטר, וסינפסה כימית משתמשת ב־Gap junctions.
2. סינפסה חשמלית מאפשרת מעבר ישיר של יונים דרך Gap junctions; סינפסה כימית משתמשת בשחרור נוירוטרנסמיטר למרווח סינפטי.
3. שתיהן משתמשות בנוירוטרנסמיטרים, אך סינפסה כימית מאפשרת בנוסף מעבר ישיר של יונים דרך Gap junctions.
4. סינפסה חשמלית קיימת רק בשריר שלד, וסינפסה כימית קיימת רק במוח ובחוט השדרה.
5. סינפסה חשמלית מאפשרת בקרה וגמישות, בעוד שסינפסה כימית היא תמיד מהירה יותר.

פתרון

התשובה הנכונה היא (2).

בסינפסה חשמלית:

• יש Gap junctions.
• יונים עוברים ישירות מתא לתא.
• ההעברה מהירה מאוד.
• יש פחות יכולת בקרה וגמישות.

בסינפסה כימית:

• פוטנציאל פעולה מגיע לקצה הפרה־סינפטי.
• נפתחות תעלות $\ce{Ca^{2+}}$ תלויות מתח.
• וזיקולות משחררות נוירוטרנסמיטר.
• הנוירוטרנסמיטר נקשר לרצפטורים על התא הפוסט־סינפטי.
• אפשר לקבל EPSP, IPSP או תגובה מודולטורית.

היתרון של סינפסה כימית הוא לא מהירות מקסימלית, אלא בקרה, גמישות ופלסטיות.

שאלה 14: שחרור נוירוטרנסמיטר

מהו האירוע הישיר שמוביל לאיחוי וזיקולות פרה־סינפטיות עם הממברנה ולשחרור נוירוטרנסמיטר?

1. כניסת $\ce{Na+}$ דרך תעלות נתרן לאורך האקסון.
2. כניסת $\ce{Ca^{2+}}$ לקצה הפרה־סינפטי דרך תעלות סידן תלויות מתח.
3. יציאת $\ce{Cl-}$ מהתא הפוסט־סינפטי.
4. פירוק Acetylcholine על ידי Acetylcholinesterase.
5. סגירת כל תעלות היונים בפרה־סינפסה.

פתרון

התשובה הנכונה היא (2).

כאשר פוטנציאל פעולה מגיע לקצה האקסון:

1. הממברנה הפרה־סינפטית עוברת דפולריזציה.
2. נפתחות תעלות $\ce{Ca^{2+}}$ תלויות מתח.
3. $\ce{Ca^{2+}}$ נכנס לתא לפי מפל הריכוזים שלו.
4. הסידן מפעיל את מנגנון האיחוי של הוזיקולות.
5. הוזיקולות מתאחות עם הממברנה ומשחררות נוירוטרנסמיטר.

לא להתבלבל: לאורך האקסון הדפולריזציה תלויה בעיקר בתעלות $\ce{Na+}$, אבל שחרור הנוירוטרנסמיטר בפרה־סינפסה תלוי בכניסת $\ce{Ca^{2+}}$.

שאלה 15: EPSP לעומת IPSP

מה ההבדל בין EPSP לבין IPSP?

1. EPSP מקרב את הממברנה ל־threshold, ו־IPSP מרחיק אותה ממנו.
2. EPSP תמיד נוצר מכלוריד, ו־IPSP תמיד מנתרן.
3. EPSP הוא פוטנציאל פעולה מלא, ו־IPSP הוא פוטנציאל פעולה חלש.
4. IPSP קיים רק בעובר.
5. EPSP ו־IPSP הם אותו דבר בשמות שונים.

פתרון

התשובה הנכונה היא (1).

EPSP הוא:

CopyRun

Excitatory Postsynaptic Potential

כלומר שינוי מקומי שמקרב את הממברנה ל־threshold. לרוב זה קורה בגלל כניסת מטען חיובי, למשל $\ce{Na+}$.

IPSP הוא:

CopyRun

Inhibitory Postsynaptic Potential

כלומר שינוי שמרחיק את הממברנה מ־threshold או מייצב אותה מתחתיו. זה יכול לקרות דרך:

• כניסת $\ce{Cl-}$.
• יציאת $\ce{K+}$.

חשוב: EPSP ו־IPSP אינם פוטנציאל פעולה. הם שינויים מקומיים ומדורגים. רק אם הסכימה שלהם ב־Axon Hillock מגיעה ל־threshold, ייווצר פוטנציאל פעולה.

שאלה 16: Axon Hillock וסכימה עצבית

מדוע ה־Axon Hillock נחשב ״נקודת ההחלטה״ של הנוירון?

1. כי שם מתרחש תהליך הסינתזה הראשוני של נוירוטרנסמיטרים פפטידיים, אשר נארזים בוויזקולות ומוסעים אקסונלית לקצה הסינפטי.
2. כי שם מתבצעת סכימה של EPSPs ו־IPSPs, ואם מגיעים ל־threshold נוצר פוטנציאל פעולה.
3. כי שם ממוקם גרעין התא המכיל את ה־DNA, המפעיל פקטורי שעתוק אפיגנטיים בתגובה לסיגנלים סינפטיים ממושכים.
4. כי שם מתבצע הפירוק האנזימטי המהיר של Acetylcholine על ידי אצטילכולין-אסטראז כדי למנוע דפולריזציה חוזרת של הממברנה.
5. כי שם קיימת צפיפות גבוהה במיוחד של תעלות כלור ואשלגן תלויות ליגנד, המונעות התפרצות ספונטנית של זרמי נתרן פנימה.

פתרון

התשובה הנכונה היא (2).

הנוירון מקבל הרבה קלטים:

• חלקם אקסיטטוריים.
• חלקם אינהיביטוריים.
• חלקם קרובים ל־Axon Hillock.
• חלקם רחוקים יותר בדנדריטים.
• חלקם מגיעים יחד בזמן.
• חלקם מגיעים בנפרד.

ב־Axon Hillock מתבצעת אינטגרציה:

CopyRun

sum(EPSPs) - sum(IPSPs)

אם התוצאה מגיעה ל־threshold, נוצר פוטנציאל פעולה שמתקדם לאורך האקסון.

ה־Hillock מתאים לכך כי יש בו צפיפות גבוהה של תעלות $\ce{Na+}$ תלויות מתח.

שאלה 17: Temporal Summation לעומת Spatial Summation

מה ההבדל בין Temporal summation לבין Spatial summation?

1. Temporal summation היא סכימה של קלטים סמוכים בזמן מאותה סינפסה או מסינפסה דומה; Spatial summation היא סכימה של קלטים ממקומות שונים.
2. Temporal summation היא סכימה של קלטים שונים במקומות שונים; Spatial summation היא סכימה של אותו קלט לאורך זמן.
3. Temporal summation היא סכימה של קלטים ממקומות שונים על אותו נוירון; Spatial summation היא סכימה של קלטים חוזרים מאותה סינפסה בזמן קצר.
4. Temporal summation מתרחשת רק כאשר כמה נוירונים שונים יורים בו־זמנית; Spatial summation מתרחשת רק כאשר אותה סינפסה יורה שוב ושוב.
5. Temporal summation היא סכימה של קלטים סמוכים בזמן, אך רק אם הם מגיעים ממקומות שונים; Spatial summation היא סכימה של קלטים מאותה סינפסה לאורך זמן.
6. Temporal summation מתארת סכימה של פוטנציאלי פעולה לאורך האקסון; Spatial summation מתארת סכימה של פוטנציאלי פעולה בכפתור הסינפטי.

פתרון

התשובה הנכונה היא (1).

Temporal summation:

CopyRun

אותו קלט או קלט דומה מגיע שוב ושוב בזמן קצר
→ הפוטנציאלים המקומיים מצטברים

Spatial summation:

CopyRun

כמה סינפסות במקומות שונים פעילות במקביל
→ הקלטים שלהן מצטברים ב־Axon Hillock

שתי הסכימות יכולות להיות חיוביות או שליליות, תלוי אם הקלטים הם EPSPs או IPSPs.

העיקרון: הנוירון לא מגיב לכל סינפסה בנפרד כאילו היא כל העולם. הוא עושה אינטגרציה. זה כל המשחק.

שאלה 18: ניקוי נוירוטרנסמיטר מהסינפסה

מדוע חשוב לפנות נוירוטרנסמיטר מהמרווח הסינפטי לאחר שחרורו?

1. כדי למנוע הפעלה מתמשכת ולא מבוקרת של התא הפוסט־סינפטי.
2. כדי להגביר הפעלה מתמשכת של התא הפוסט־סינפטי ולחזק את האות לאורך זמן.
3. כדי למנוע כניסה של $\ce{Ca^{2+}}$ לתא הפרה־סינפטי לאחר פוטנציאל הפעולה.
4. כדי לאפשר לנוירוטרנסמיטר להישאר במרווח הסינפטי עד שייקשר שוב ושוב לרצפטורים.
5. כדי למנוע דפולריזציה של התא הפרה־סינפטי ולשמור על פוטנציאל המנוחה שלו.

פתרון

התשובה הנכונה היא (1).

סיגנל טוב חייב להתחיל, אבל גם להסתיים.

אם נוירוטרנסמיטר יישאר במרווח הסינפטי:

• הרצפטורים יישארו פעילים.
• התא הפוסט־סינפטי ימשיך לקבל אות גם כשהפרה־סינפסה כבר הפסיקה לשדר.
• לא תהיה הפרדה טובה בין אות לאות.
• המערכת תאבד דיוק.

מנגנוני פינוי:

1. פירוק אנזימטי - למשל Acetylcholinesterase מפרק Acetylcholine.
2. Reuptake לתא הפרה־סינפטי או לתאי גלייה.
3. Diffusion מחוץ למרווח הסינפטי.

אצטילכולין ו־Neuromuscular Junction

שאלה 19: Nicotinic לעומת Muscarinic receptors

איזה משפט נכון לגבי רצפטורים ל־Acetylcholine?

1. רצפטור Nicotinic הוא תעלת יונים, ורצפטור Muscarinic הוא GPCR.
2. רצפטור Nicotinic הוא GPCR, ורצפטור Muscarinic הוא תעלת יונים.
3. גם רצפטור Nicotinic וגם רצפטור Muscarinic הם תעלות יונים תלויות־ליגנד.
4. גם רצפטור Nicotinic וגם רצפטור Muscarinic הם GPCRs, אך הם שונים בסוג ה־G protein שאליו הם מצומדים.
5. רצפטור Nicotinic נמצא רק במערכת העצבים המרכזית, ורצפטור Muscarinic נמצא רק ב־neuromuscular junction.

שאלה 20: Neuromuscular Junction

מה קורה ב־Neuromuscular Junction לאחר שחרור Acetylcholine?

1. Acetylcholine נקשר לרצפטור ניקוטיני, גורם לכניסת יונים חיוביים ולדה־פולריזציה של סיב השריר.
2. Acetylcholine נקשר לרצפטור מוסקריני, גורם לכניסת יונים חיוביים ולדה־פולריזציה של סיב השריר.
3. Acetylcholine נקשר לרצפטור ניקוטיני, גורם ליציאת יונים חיוביים ולפולריזציה של סיב השריר.
4. Acetylcholine נקשר לרצפטור מטבוטרופי, גורם לכניסת יונים חיוביים ולדה־פולריזציה של סיב השריר.
5. Acetylcholine נקשר לרצפטור מוסקריני, גורם ליציאת יונים חיוביים ולפולריזציה של סיב השריר.

פתרון

התשובה הנכונה היא (1).

ב־NMJ:

1. פוטנציאל פעולה מגיע לקצה הנוירון המוטורי.
2. נפתחות תעלות $\ce{Ca^{2+}}$ פרה־סינפטיות.
3. $\ce{Ca^{2+}}$ גורם לשחרור Acetylcholine.
4. ACh נקשר לרצפטורים ניקוטיניים ב־motor end plate.
5. נפתחות תעלות יונים.
6. יש דפולריזציה של סיב השריר.
7. פוטנציאל פעולה מתפשט בשריר ומוביל לשחרור $\ce{Ca^{2+}}$ מה־SR.
8. מתחיל כיווץ.

הדיוק החשוב: ACh לא גורם ישירות לכיווץ הסרקומר. הוא מתחיל את האות החשמלי שמוביל בהמשך לשחרור סידן ולכיווץ.

EEG ופלסטיות סינפטית

שאלה 21: מה מודד EEG?

מה מודד EEG בצורה הטובה ביותר?

1. פעילות חשמלית מסונכרנת של אוכלוסיות גדולות של נוירונים, בעיקר פוטנציאלים פוסט־סינפטיים.
2. פעילות חשמלית של נוירון יחיד, בעיקר פוטנציאלי פעולה העוברים לאורך האקסון.
3. פעילות חשמלית מסונכרנת של אוכלוסיות גדולות של נוירונים, בעיקר פוטנציאלי פעולה פרה־סינפטיים.
4. פעילות חשמלית של שרירי הקרקפת בלבד, ולכן הוא אינו משקף פעילות מוחית.
5. פעילות חשמלית עמוקה ומקומית מאוד של גרעינים תת־קורטיקליים, בעיקר דרך מדידת שחרור נוירוטרנסמיטרים.

פתרון

התשובה הנכונה היא (1).

EEG אינו מודד ״נוירון אחד יורה״. האות חלש מדי ומקומי מדי.

EEG מודד פעילות חשמלית שמגיעה מסכימה של הרבה מאוד נוירונים, בעיקר כאשר הם מסונכרנים במרחב ובזמן. לכן EEG שימושי לזיהוי מצבים שבהם יש פעילות עצבית מסונכרנת חריגה, למשל באפילפסיה.

העיקרון: ככל שהפעילות יותר מסונכרנת וגדולה, כך קל יותר למדוד אותה מהקרקפת.

שאלה 22: Hebb’s rule

מה משמעות המשפט:

Neurons that fire together, wire together

1. אם שני נוירונים פעילים יחד שוב ושוב, הקשר הסינפטי ביניהם יכול להתחזק.
2. היווצרות פוטנציאל פעולה סינכרוני ומקביל מתאפשרת אך ורק ברשתות תאי קוצב בשריר הלב, בעוד שבנוירונים הירי הוא תמיד עצמאי וא-סינכרוני.
3. תהליך הלוקליזציה וההתחדשות של מעטפת המיילין מתרחש בצורה מבוקרת רק כאשר קבוצת נוירונים סמוכה חווה אפופטוזה (מוות תאי מתוכנן) משותפת.
4. יעילות ההולכה העצבית במערכת המרכזית נקבעת באופן גנטי קבוע מראש, ללא תלות אדפטיבית בדפוסי אקטיבציה או בלמידה התנהגותית וקוגניטיבית.
5. ארכיטקטורת הרשת המוחית שואפת ליצירת קישוריות גלובלית והומוגנית, שבה כל נוירון יוצר קשרים סינפטיים קבועים עם סביבתו ללא קשר להיסטוריית הירי שלו.

פתרון

התשובה הנכונה היא (1).

Hebb’s rule מתאר עיקרון בסיסי של למידה עצבית:

CopyRun

פעילות פרה־סינפטית + פעילות פוסט־סינפטית יחד
→ הסינפסה ביניהן מתחזקת

זה לא אומר שכל שני נוירונים פעילים יתחברו אוטומטית, אלא שקשרים קיימים יכולים להתחזק כאשר יש התאמה חוזרת בין הפעילות שלהם.

זה הבסיס הרעיוני ל־Long-Term Potentiation, כלומר LTP.

שאלה 23: NMDA receptor כגלאי צירוף מקרים

מדוע קולטן NMDA נחשב coincidence detector?

1. כי הוא נפתח רק כאשר יש גלוטמט וגם דפולריזציה שמסירה את חסימת המגנזיום.
2. כי הוא נפתח רק כאשר יש גלוטמט וגם היפרפולריזציה שמסירה את חסימת המגנזיום.
3. כי הוא נפתח רק כאשר יש גלוטמט וגם כניסה מוקדמת של $\ce{Cl-}$ דרך תעלות אינהיביטוריות.
4. כי הוא נפתח רק כאשר יש דפולריזציה, גם ללא קישור של גלוטמט לרצפטור.
5. כי הוא מזהה בו־זמנית שחרור גלוטמט ויציאה של $\ce{Ca^{2+}}$ מהתא, ולכן מחזק את הסינפסה.

פתרון

התשובה הנכונה היא (1).

קולטן NMDA דורש שני תנאים:

1. Glutamate צריך להיקשר לרצפטור.
2. הממברנה הפוסט־סינפטית צריכה להיות מספיק דפולריזטורית כדי להסיר את חסימת $\ce{Mg^{2+}}$ מהתעלה.

רק כאשר שני התנאים מתקיימים, התעלה מאפשרת כניסת $\ce{Ca^{2+}}$.

לכן NMDA מזהה מצב שבו:

CopyRun

הנוירון הפרה־סינפטי פעיל
וגם
הנוירון הפוסט־סינפטי כבר דפולריזטורי

זה בדיוק מנגנון שמתאים ללמידה: הסינפסה מתחזקת כאשר שני הצדדים פעילים יחד.

שאלה 24: LTP לעומת LTD

מה ההבדל הכללי בין LTP לבין LTD?

1. LTP הוא החלשה ארוכת טווח של סינפסה, ו־LTD הוא חיזוק ארוך טווח.
2. LTP הוא חיזוק ארוך טווח של סינפסה, ו־LTD הוא החלשה ארוכת טווח.
3. LTP מתאר פירוק מיאלין, ו־LTD מתאר יצירת מיאלין.
4. LTP מתרחש רק בתאי שריר לב, ו־LTD מתרחש רק בנוירונים.
5. LTD הוא סוג של פוטנציאל פעולה קצר, ו־LTP הוא סוג של פוטנציאל פעולה ארוך.

פתרון

התשובה הנכונה היא (2).

LTP הוא:

CopyRun

Long-Term Potentiation

כלומר התחזקות ארוכת טווח של הסינפסה.

LTD הוא:

CopyRun

Long-Term Depression

כלומר היחלשות ארוכת טווח של הסינפסה.

במנגנונים רבים, כניסת $\ce{Ca^{2+}}$ דרך NMDA יכולה להוביל לשינויים במספר או ברגישות של רצפטורי AMPA בסינפסה:

• יותר AMPA או פעילות חזקה יותר ← תגובה פוסט־סינפטית חזקה יותר ← LTP.
• פחות AMPA או פעילות חלשה יותר ← תגובה חלשה יותר ← LTD.

המסר: פלסטיות סינפטית היא הדרך שבה פעילות חשמלית זמנית יכולה להפוך לשינוי יציב יחסית בקשר בין תאים.

שאלות סיכום קצרות

שאלה 25: התאמה בין מושגים

איזה צימוד נכון?

1. $\ce{K+}$ גבוה מחוץ לתא - פוטנציאל מנוחה שלילי.
2. $\ce{Na+}$ גבוה בתוך התא - מצב מנוחה תקין.
3. תעלות $\ce{Ca^{2+}}$ בפרה־סינפסה - שחרור נוירוטרנסמיטר.
4. Schwann cells - מיאלין ב־CNS.
5. GABA בעובר - תמיד IPSP.

שאלה 26: מושגים והגדרות

איזה משפט הוא המדויק ביותר?

1. כל דפולריזציה היא בהכרח פוטנציאל פעולה.
2. כל EPSP מגיע בהכרח ל־threshold.
3. פוטנציאל פעולה הוא all-or-none, אבל EPSP ו־IPSP הם מדורגים.
4. IPSP נוצר רק על ידי נתרן.
5. פוטנציאל פעולה מתקדם בדנדריטים בלבד.

threshold reached → full action potential
threshold not reached → no action potential

משפטי מפתח לשינון

• פוטנציאל מנוחה נובע ממפלי יונים וחדירות ממברנה, בעיקר ל־$\ce{K+}$.
• משוואת Nernst מתייחסת ליון אחד; GHK מתייחסת לכמה יונים ולחדירות היחסית שלהם.
• חסימת תעלות $\ce{K+}$ עושה את פוטנציאל המנוחה פחות שלילי.
• Ouabain גורם בתחילה לדפולריזציה, אבל לאורך זמן עלול לגרום לקריסת מפלי יונים ו־depolarization block.
• Hyperkalemia מקטינה יציאת $\ce{K+}$ וגורמת לדפולריזציה.
• Hypokalemia מגדילה יציאת $\ce{K+}$ וגורמת להיפרפולריזציה.
• פוטנציאל פעולה בנוירון: $\ce{Na+}$ נכנס, $\ce{K+}$ יוצא.
• התקופה הרפרקטורית נובעת בעיקר מאינאקטיבציה של תעלות $\ce{Na+}$ ומפתיחת תעלות $\ce{K+}$.
• Cardiomyocyte חדרי כולל plateau ארוך בגלל $\ce{Ca^{2+}}$, ולכן יש refractory period ארוך.
• בעובר, GABA יכול להיות אקסיטטורי בגלל ריכוז $\ce{Cl-}$ תוך־תאי גבוה.
• Schwann = PNS; Oligodendrocyte = CNS.
• סינפסה חשמלית מהירה ופשוטה; סינפסה כימית איטית יותר אבל גמישה ומבוקרת.
• שחרור נוירוטרנסמיטר תלוי בכניסת $\ce{Ca^{2+}}$ לפרה־סינפסה.
• EPSP מקרב ל־threshold; IPSP מרחיק ממנו.
• Axon Hillock הוא נקודת ההחלטה.
• Temporal summation = סכימה בזמן; Spatial summation = סכימה במרחב.
• Nicotinic receptor הוא תעלת יונים; Muscarinic receptor הוא GPCR.
• EEG מודד פעילות מסונכרנת של אוכלוסיות נוירונים, לא נוירון יחיד.
• NMDA דורש גם גלוטמט וגם דפולריזציה, ולכן מתאים ללמידה סינפטית.
• LTP מחזק סינפסה; LTD מחליש סינפסה.