Hmat mechanorecepce bolest somato-senzorický systém Petr Maršálek http

Hmat, mechanorecepce, bolest, somato-senzorický systém Petr Maršálek http: //nemo. lf 1. cuni. cz/mlab/Marsa-PHYSIOL-ftp/ přednáška 3 * 45 min 1

Reakce (R) je funkce intenzity stimulu (S), R=f(S) 2

(1) Somato-sensorický systém 3

Mechanorecepce – receptorové orgány (vybrané obrázky) 4

I. Mechanoreceptors Skin tactile sensibilities (epidermis and dermis) Free nerve endings Expanded tip endings Merkel’s discs Plus several other variants Spray endings Ruffini’s endings Encapsulated endings Meissner’s corpuscles Krause’s corpuscles Hair end-organs (Deep tissue sensibilities, Free nerve endings, Expanded tip endings, Spray endings, Ruffini’s endings, Encapsulated endings) Pacinian corpuscles Plus a few other variants Mechanorecepce – receptorové orgány (seznam ) Muscle endings Muscle spindles Golgi tendon receptors Hearing Sound receptors of cochlea Equilibrium Vestibular receptors Arterial pressure Baroreceptors of carotid sinuses and aorta II. Thermoreceptors Cold receptors Warmth Warm receptors III. Nociceptors Pain Free nerve endings 5

Kožní receptory hmatu 6

Kožní receptory hmatu 7

Kožní receptory hmatu RA = Rapid Adaptation SA = Slow Adaptation 8

P = proporcionální sensor D = derivační (diferenční sensor) [D 2 = akcelerační (sensor druhé diference)] I = integrační sensor PD , PDI, atd = smíšený sensor RA = Rapid Adaptation SA = Slow Adaptation 9

P = proporcionální sensor D = derivační (diferenční sensor) [D 2 = akcelerační (sensor druhé diference)] I = integrační sensor PD , PDI, atd = smíšený sensor 10

Šlachová tělíska a kloubní receptory 11

Šlachová tělíska a kloubní receptory 12

Termoreceptory 1. Chladové, < 36 st. C 2. Tepelné > 36 st. C 3. Na horké > 45 st. C ( = VR 1, vaniloidové, kapsaicinové receptory) 13

Extempore č. 1 (celkem kolem 5 obrázků): Psychofyzika aplikovaná v praxi, aneb o Scovillově stupnici pálivosti papriček 14

Design pokusu vedoucího ke konstrukci Scovillovy stupnice pálivosti čili papriček 15

Scovilův žebříček papriček 3 000 -6 000 2 000 1 850 000 1 600 000 1 450 000 1 200 000 1 100 000 1 050 000 850 000 350 000 – 580 000 100 000 – 350 000 – 100 000 30 000 – 50 000 5 000 – 23 000 5 000 – 10 000 2 500 – 8 000 1 000 – 2 000 100 – 500 příklady Pepřový sprej Trinidad Moruga Scorpion Chocolate 7 -Pot Dorset Naga Trinidad Scorpion Butch Taylor Naga Viper, Trinidad 7 Pot Jonah Satan's Strain Trinidad Scorpion Moruga Naga Morich, Infinity Chilli Bhut Jolokia Trinidad 7 Pot CARDI Strain Red Savina Habanero Paprička Birds Eye, Piri Tabasco paprička Serrano Chipotle Jalapeño, Tabasco omáčka Poblano Pimento 16

Scovillovy jednotky pálivosti (Scoville heat units) 16, 000, 000 5, 300, 000 16, 000 15, 000 9, 200, 000 9, 100, 000 8, 600, 000 160, 000 100, 000 60, 000 16, 000 účinná látka Resiniferatoxin Tinyatoxin Capsaicin Dihydrocapsaicin Nonivamide Nordihydrocapsaicin Homocapsaicin Shogaol (dehydr. zázv. olej) Piperine (pepřový alkaloid) Gingerol (zázvorový olej) Capsiate 17

Kdo byl W. L. Scoville ? W. S. byli totiž dva: W. L. S. a W. B. S. , a pak byl ješte pacient H. M. : • • • Wilbur Lincoln Scoville, americký farmaceut, (1865 – 1942) William Beecher Scoville, americký neurochirurg, (1906 - 1984) Brenda Milner, kanadská psycholožka, (1918 – dosud), 15. července 2017 bude mít 99 let (nar. tentýž den jako Vernon Benjamin Mountcastle, 1918 -2015) William Beecher Scoville and Brenda Milner (1957). "Loss of recent memory after bilateral hippocampal lesions". Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry 20, (1): 11– 21. Pacient H. M. - Henry Gustav Molaison (1926 – 2008), neboli „Padesátiletá kariéra nechtěného lidského pokusného subjektu s poruchou konsolidace paměti“ 18

Zlaté časy psychofyziky (= druhá polovina 19. století) 1. viz: Weber-Fechnerův zákon, 2. Ernst Heinrich Weber, ([*] 1795 – [+] 1878) 3. Gustav Theodor Fechner, ([*]1801, Polsko - [+]1887, Leipzig, Německo, ) 1850 – došel k náhlému osvícení směrem k exaktnímu popisu smyslového vnímání Elemente der Psychophysik (1860), 1878 – definice mediánu (= je to hodnota, dělící distribuční funkci na polovinu) 19

Reakce (R) je funkce intenzity stimulu (S), R=f(S) 20

Ke hmatu a somatosenzorickému systému je třeba ještě doplnit popis nervových drah - viz anatomie… 21

22

23

(2) Bolest (úvod) 24

CGRP (Calcitonin-gene related peptide), SP (Peptide substance) 25

Poškození tkáně většinou vyvolá bolestivou senzaci Bolest: 1 je varovný signál, varuje před poškozením tkáně 2 může napomoci diagnostice a lokalizaci patologií 3 může být patologická, obtěžuje Části bolesti Algothymická složka je emocionální doprovod bolesti Algognostická složka říká, kde a „co“ a jak nás bolí Je více druhů bolesti, které již nemají účel varování, postrádají hodnotu signálu, neurologické vyšetření bývá v normě, to jsou …neuralgie Psychofyzikálně: - není vztah mezi intenzitou podnětu a intenzitou vjemu -je plynulý přechod mezi různým typy hmatové a bolestivé stimulace šimrání, ostrý dotek, teplo, chlad svědění, píchnutí, opaření, omrznutí co svědí, musí se škrábat (? ), … [Fenistil – antihistaminikum, antipruriginosum] 26

Jak lidé demonstrují Extempore, schopnost snášet č. 2, politicky nekorektní bolest? -viz např. VŠ prof. , malíř, -piercing Vladimír Franz -tetování

…Politicky nekorektní extempore používá motivy z přednášky Mandyama Veerambudi Srinivasana kolem r. 2009 Hledejme poučení o bolesti u klasiků fyziologie Ivan Petrovič Pavlov (1849 -1936), Nobelova cena z. r. 1904, čtvrtý ročník, … a jedna dětská anekdota: (kterou všichni určitě známe) I. P. Pavlov dělá pokusy na bleše… …a to nás přivádí k otázce

…a to nás přivádí k otázce č. 1 Cítí hmyz bolest podobně jako lidé? 29 z 11

CZ: bělásek zelný LT: Pieris brassicae Cítí bělásek zelný bolest? DE: Kohl-weißling EN: cabbage white butterfly z 11 30

CZ: kudlanka nábožná LT: Mantis religiosa Cítí sameček kudlanky nábožné bolest? DE: Gottes-Anbeterin, EN: praying mantis z 11 31

…a jak je to s tou dětskou anekdotou správně? …musíme si správně vybrat druh pokusného zvířete…

CZ: saranče stěhovavá LT: Locusta migratoria DE: (Wander)-heu-schrecke EN: migratory locust z 11 33

Upozornění: zde končí politicky nekorektní extempore č. 2 Pokračujeme molekulárními mechanismy mechanorecepce a dále bolestí… 34 z 11

Mechanorecepce/ hmat u CZ: octomilky obecné, EN: fruit fly, DE: die Frucht-fliege LT: Drosophila Melanogaster 35

…a to nás přivádí k otázce č. 2 Jak je to s bolestí u dospělé octomilky? 36 z 11

…a to nás přivádí k otázce č. 3 Jak je to s mechanorecepcí u octomilky? , výzkumné otázky, molekulární mechanismy… 37 z 11

Various Sensilla A) B) A) Bristle structure schematics B) Bristle schematics C) C) Campaniform sensillum Bristle - a short stiff coarse hair, a mechanoreceptor with bristle. Campaniform sensillum - (campana = bell in Latin) bell shaped mechanoreceptor. 38

Mechanoreceptor current in response to mechanical stimulation A B [Walker et al, 2000] 39

In year 2010: Molecular Devices Most of the molecular structure of mechanically gated ion channels is unknown [Howard and Bechstedt, 2004] [Gillespie and Walker, 2001] 40

Model: Introduction of Leaky Integrator (= RC circuit with threshold) 41

Model: Leaky Integrator and Spring Equations 42

Model: Reordered Equations 1. Although leaky integrator and spring equations are linear, threshold, adaptation and mechanoreceptor currents are nonlinear, making the whole DE set nonlinear. 2. Spring equation is rewritten to its normal form to be fed into a custom written fixed step Runge-Kutta numerical DE solver (in Matlab). 43

(2) Bolest (pokračování) 44

Bolest je modifikována • • předchozí zkušeností sugescí emocemi, speciálně strachem současnou aktivací dalších smyslových vstupů • zaměřením pozornosti 45

Bolest vyvolá aktivaci • sympatického nervstva vazokonstrikce, hypertenze, tachykardie, pocení, zblednutí, husí kůže, mydriáza • parasympatiku hypotenze, bradykardie, nausea/ zvracení • motorickou odpověď • a alteraci vědomí 46

Typy bolesti, fenomenologie Akutní bolest -je vyvolána identifikovatelnými podněty -je krátkodobá klasifikace bolesti podle příčiny • Nociceptorová (nociceptivní) -přestává, když je zhojeno poranění tkání, které ji způsobilo -většinou se neopakuje • Periferní neurogenní (neuropatická) Chronická bolest • Centrální neurogenní -trvá déle než 6 měsíců • Bolest dysautonomní – z dysfunkce -příčiny nemusí být vždy identifikovatelné sympatiku • Viscerální -intenzita bolesti je vždy vyšší než odpovídá intenzitě stimulace • Psychogenní -způsobuje velké tělesné i duševní utrpení -zhoršuje kvalitu života 47

Nociceptory, bolestivé receptory = dedikované receptory, iontové kanály a volná nervová zakončení • They are sensitive on the p. H changes (p. H in acute abscess, phlegmona reaches 5, 8 = pain, p. H in chronic abscess is normal, without pain) • Nociceptors register the ratio K+: Ca 2+ (treshold for pain is lower in the lower Ca 2+ level in ECV) • evoking inflammation are (permeability of vessel wall, oedema) histamin, bradykinin, serotonin • direct influence of free-nerve endings: potassium, histamin, bradykinin, serotonin • sensitisation of nociceptors: prostaglandins, esp. Pg. E 2, interleukin-1, interleukin-6, cyclooxygenases (COX-1, COX-2) • From activated free nerve endings P-substance is released. It influences vessel wall (vasodilation, permeability of vessel wall, oedema) and mast cells (release of histamin after degranulation). 48

Typy vláken vedoucích bolest • C-fibres – without myelin sheets, action potentials are convected slowly, fibres convect deep, nonaccurate localized, diffuse pain • Aδ-fibres – with thin myelin sheet, fibres mediate fast conduction of sharp, accurate localized pain • Aα/Aβ-fibres – large myelinated. Fibres do not convect nociceptive stimuli, they mediate tactile stimuli • Afferent fibres enter dorsal spinal roots. In this region exist excitatory and inhibitory interneurons. Inhibitory interneurons gate the passage of information into thalamus and cortex. 49

Podněty vyvolávající bolest -chemické -endogenní mediátory zánětu (bradykinin, prostaglandiny, serotonin, histamin, K+, H+, Il-1=Interleukin) -exogenní látky (kapsaicin, formalín) -tepelné -poškozující teplota nad 42°C -mechanické 50

Co se děje při bolestivé stimulaci • aktivují se tetrodotoxin rezistentní (TTX-R) kanály • uvolňuje se z poškozených buněk ATP a působí jako mediátor bolesti. Receptory ATP jsou purinové receptory (P 2 X) • aktivují se vaniloidové receptory (VR 1), - receptory pro kapsaicin, které se aktivují i při poškozující teplotě nad 42°C a p. H < 6. 5 • aktivují se ASIC kanály - acid sensing ion channels, které se uplatňují zejména při poklesu p. H < 6. 5 • upregulují se postsynaptické receptory pro excitační transmitery - glutamát (NMDA) a substance P (NK 1) 51

Vaniloidové receptory a bolest Poznámky o (možných) souvislostech Ptáci versus savci. . . (Versus hmyz. . . ) Konzumace pálivých papriček vede ke zvýšení prahu pro bolest Pálivé papričky a vnímání pocitu tepla Kapsaicinové náplasti, „prohřívací“ masážní emulze, atd. 52

Vrátková teorie bolesti – míšní úroveň rychlá pomalá Substantia gelatinosa III. Rexedova zóna 53

Opioidní systém n nigrostriatální a mezolimbický dopaminergní n n hypotalamo-hypofyzární n n ovlivnění motoriky a systému odměny modulace hormonální sekrece ascendentní a descendentní dráhy n n n modulace bolesti ascendentní – mícha, talamus descendentní – PAG, rafeální jádra 54

ZOO receptorů… Endogenní opioidy Endogenní -endorfin (31 aminokyselin) - kanabinoidy Endomorfin (4 aminokyseliny) - n n n n n Leu-enkefalin (5 aminokyselin) - Met-enkefalin (5 aminokyselin) - Dynorfin (A 1 -8, B 1 -17) - nociceptin/ orfanin nocistatin n n presynaptické receptory n inhibice uvolňování neurotransmiterů n 2+ n Ca postsynaptické receptory n + n K vodivost – hyperpolarizace n membrány amidy a estery mastných kyselin anandamid palmitoyl-etanolamid PEA Receptory CB 1 a CB 2 CB 1 v PAG a RVM senzorický neuron CB 2 ve strukturách imunitního systému FAAH – hydroláza amidů MK uplatňují se také ve vnitřním uchu a ve sluchové dráze 55

Typy bolesti, fenomenologie lokalizace 56

Headovy zóny, Přenesená bolest 57

Přenesená a patologická bolest Další patologické „senzace“ …, bolesti hlavy, neuralgia n. trigemini, migréna, … 58

Lokalizace vedení bolesti v rámci drah CNS 59

Přibližná lokalizace senzorických, afektivních a kognitivních složek bolesti 60

Možnosti boje proti bolesti 61

(3) Somato-senzorický systém a poranění míchy. 62

Míšní šok u člověka In both meningeal irritation and spinal shock extensor systems take over flexor systems 63

Poranění CNS versus poranění periferního nervu 64

Progression of CNS injury (Spinal Cord Injury, SCI as a model) • local swelling at the site of injury which pinches off blood perfusion ischemia • Excessive release of glutamate and excitotoxicity of neurons and oligodendrocytes at the site of injury • Infiltration by immune cells (microglia, neutrophils) • Free radical toxicity • Apoptosis/necrosis 65

Poranění míchy podle míšních segmentů, viz fyziologické základy patofyziologie 66

67

68

Types of incomplete spinal cord injury 69

Central cord syndrome Characterized by: disproportionately greater motor impairment in upper compared to lower extremities, and variable degree of sensory loss below the level of injury in combination with bladder dysfunction and urinary retention. 70

71

72

Podklad Brown. Sequardova syndromu 73

74

Automatické vyprazdňování močového měchýře u paraplegie 75

76

To je dnes vše… 77

78

Text 79