background image

 

Physiology 

Dr. Basim Mohamad Alwan 

                                          

Lecture (1)

 

INTRODUCTION 

The  nervous  system  is  unique  in  the  vast  complexity  of  thought 

processes and control actions it can perform. It receives each  minute 

literally  millions  of  bits  of  information  from  the  different  sensory 

nerves  and  sensory  organs  and  then  integrates  all  these  to  determine 

responses to be made by the body. The nervous system contains more 

than  100  billion  neurons  and  consists  of  the  central  nervous  system, 

the peripheral nerves and autonomic nervous system (fig. 1-1). 

 

Figure 1-1: General view of the brain, spinal cord and spinal nerves 


background image

 

The  central  nervous  system  (the  neural  axis  or  neuraxis)  consists  of 

the  brain  and  the  spinal  cord.  Anatomically,  the  brain  comprises  the 

cerebrum which consists of two cerebral hemispheres, the cerebellum, 

and  the  brain stem.  The  brainstem  consists  of  the  midbrain,  the  pons 

and the medulla oblongata. The CNS contains the nerve centers which 

receive  and  process  the  nervous  signals,  then  formulate  the  response 

to these signals. 

The peripheral nerves are divided into cranial and spinal nerves. The 

cranial nerves are  twelve pairs of nerves, which arise from the brain 

and emerge out through foramina in the bones of the cranium (skull). 

The spinal nerves are 31 pairs of nerves that arise from the spinal cord 

and  emerge  out  through  foramina  in  the  vertebral  column. 

Anatomically, the spinal nerves are sorted out into 5 groups according 

to their site of origin from the spinal cord which are 8 cervical pair, 12 

dorsal pairs, 5 lumbar pairs, 5 sacral pairs and one cooccygeal pair. 

 

 

DIVISIONS OF THE NERVOUS SYSTEM 

The nervous system comprises three major systems; 

I. THE AUTONOMIC NERVOUS SYSTEM

:   Is the part of the nervous 

system which is concerned with the involuntary control of the visceral 

activity.  It  includes  sympathetic,  parasympathetic  and  enteric 

divisions. 

II.  THE  SOMATIC  NERVOUS  SYSTEM:

  Is  the  part  of  the  nervous 

system  which  is  concerned  with  conscious  perception  of  different 

sensations, and voluntary control of the muscular activity.  


background image

 

 This system is divided into two divisions; 

(i)  SENSORY  DIVISION:

  Which  is  concerned  with  conscious 

perception  of  somatic  sensations?  It  includes  the  sensory  (afferent) 

nerves,  the  sensory  (ascending)  tracts  inside  the  CNS,  the  sensory 

reticular formation, the thalamus and the sensory cerebral cortex. 

 

(ii) MOTOR DIVISION:

 Which is concerned with voluntary control of 

muscular  activity?  It  includes  the  motor  cerebral  cortex,  the  basal 

ganglia,  the  cerebellum,  the  motor  reticular  formation,  the  motor 

(descending) tracts inside the CNS and the motor (efferent) nerves. 

 

III.  THE  INTEGRATIVE  NERVOUS  SYSTEM:  Is  the  part  of  the 

nervous system which is concerned with the sophisticated functions of 

the  brain.  These  functions  include  memory,  thinking,  learning, 

language,  speech,  emotions  and  general  behavior.  The  main  parts  of 

the  integrative  division  are  the  cortical  association  areas  and  the 

limbic system. 

All  these  three  systems  and  divisions  are  interconnected  and  their 

functions are integrated together and with other systems in the body. 

 

The  basic  structural  unit  of  the  nervous  system  which  is  capable  of 

conducting  a  reflex  action  is  the  reflex  arc  (fig.  1-2).  A  reflex  arc; 

consists of 5 components: 

 


background image

 

 

Figure 1-2: The five basic components of a reflex arc 

1.  Receptor: A sensor which is excited by the stimulus. 

2.  Afferent  nerve:  Which  conveys  input  signals  to  the  CNS?  The 

afferent nerve is also called the sensory nerve, 

3.  Center:  A  collection  of  neurons  that  receive  the  sensory 

information and issue the order for proper response. 

4.  Efferent nerve: A nerve that conveys output signals from the CNS 

to the effectors organ. The efferent nerve is either a motor nerve to a 

muscle or a secretary nerve to a gland. 

5.  Effectors organ: A muscular or glandular structure which receives 

the final order and executes the reflex response. 

The basic functional unit in the nervous system is the reflex action. 

A reflex action is an involuntary action in response to a stimulus e.g. 

a. painful stimulus applied to the hand leads to reflex withdrawal of 

the arm (the withdrawal reflex).


background image

 

NEURAL SYNAPSES

 

A synapse is the junction area between  a nerve terminal and another 

cell. If the second cell is a neuron the synapse is then called a "neural 

or neuronal synapse". 

The axon of a neuron conducts impulses away from the cell body to 

relay  onto  another  cell  at  the  synapses  (fig.  1.3).  The  axon  branches 

extensively  near  its  end,  giving  off  1000  branches  on  the  average. 

Each  branch  ends  in  a  nerve  terminal.  This  terminal  is  a  disc-like 

expansion called the synaptic knob (the terminal button or the end 

foot).  There  is  a  gap  between  the  nerve  terminal  and  the  adjacent 

neuron  30-50  nm  wide  called  the  synaptic  cleft.  So,  at  the  neural 

synapse  there  is  contiguity  but  no  continuity  of  the  two  adjacent 

neurons. 

The  neuron  which  conducts  impulses  to  the  synapse  is  called  the 

"presynaptic neuron'' or "input  neuron" and that which conducts 

impulses away from the synapse is called the "postsynaptic neuron"  

or  "output  neuron".  The  synaptic  knobs  of  the  presynaptic  neuron 

contain vesicles called synaptic or transmitter vesicles which contain 

the chemical transmitter of the neuron. A polypeptide called synapsin 

is  found  in  the  walls  of  the  vesicles  which  bind  the  transmitter 

vesicles to the cytoskeleton keeping them in the cytoplasm away from 

the release sites on the presynaptic membrane. 


background image

 

 

Figure 1-3: Neural synapse 

 

THE IMPORTANCE OF SYNAPSES IN THE NERVOUS 

SYSTEM 

 Synapses  act  as  "unidirectional  valves"  in  the  nervous 

pathways,  i.e.  they  allow  the  flow  of  impulses  from  the  pre  to 

the postsynaptic neurons only. This ensures the flow of impulses 

in the nervous pathways in the forward "orthodromic" direction 

only.  Any  impulse  that  travels  along  a  neuron  in  the  opposite 

"antidromic" direction cannot be transmitted to the next neuron 

because it dies off at the first set of synapses it meets. 

Also,  synapses  are  the  sites  in  the  nervous  pathways  at  which 

transmission of impulses can be most easily influenced. 

 At  the  synapse,  transmission  of  impulses  can  be  accelerated, 

slowed  down,  or  blocked  by  physiological,  pathological  or 

pharmacological influences. 

 


background image

 

CLASSIFICATION OF SYNAPSES 

Synapses  could  be  classified  according  to  either  their  location 

between  the  pre  and  postsynaptic  neurons  (histological 

classification),  or  the  mechanism  of  transmission  of  impulses 

across them (physiological classification), 

HISTOLOGICAL CLASSIFICATION 

According  to  this  classification,  synapses  are  classified  into 

three types (fig.1-4): 

1. Axodendritic  synapses:  These  are  synapses  between  the 

axon  terminals  of  the  presynaptic  neuron  and  the  dendrites  of 

the postsynaptic neuron. 

2. Axosomatic synapses:  These are synapses between the axon 

terminals  of  the  presynaptic  neuron  and  the  soma  of  the 

postsynaptic neuron 

 

 

Figure 1-4: histological classification of synapses

 

 

3.  Axoaxonic  synapses:  These  are  synapses  between  the  axon 

terminals  of  the  presynaptic  neuron  and  the  axon  of  the 

postsynaptic neuron. 

 


background image

 

PHYSIOLOGICAL CLASSIFICATION 

According  to  this  classification,  synapses  are  classified  into 

three types: 

1.  CHEMICAL  SYNAPSES:

  In  these  synapses,  transmission  of 

signals  occurs  by  releasing  a  ''chemical  transmitter"  from  the 

presynaptic  terminal  into  the  synaptic  cleft.  The  transmitter  then 

acts  on  specific  receptors  on  the  postsynaptic  membrane  to 

generate  postsynaptic  potential.  There  are  more  than 

40

 

different synaptic transmitters in the CNS which are either small 

molecule rapidly acting (acetylcholine) or large molecule slowly 

acting (substance P). 

Chemical synapses are the only type of synapses found in the 

human nervous system. 

2.  ELECTRICAL  SYNAPSES:

  In  these  synapses,  there  are  gap 

junctions  between  the  pre  and  postsynaptic  membranes  which 

allow the transmission of the depolarization wave directly from 

the pre to the postsynaptic membrane.

 

3. 

CONJOINT  SYNAPSES  (ELECTROCHEMICAL):

  In  these 

synapses, transmission of impulses occurs by both mechanisms 

electrical  and  chemical.  They  are  found  in  some  fish  and 

invertebrates. 

THE MECHANISM OF RELEASE OF TRANSMITTER AT THE 

CHEMICAL SYNAPSES 

When the action potential reaches the nerve terminal, it opens the 

calcium  gates  allowing  Ca

2+

  influx  from  the  extracellular  fluid  into 


background image

 

the  cytoplasm.  Ca

2+

  induces  the  phosphorylation  of  synapsin. 

This  detaches  the  synaptic  vesicles  from  their  binding  to  the 

cytoskeleton. The vesicles get attached and fused to specific release 

sites on the presynaptic membrane. The release sites then rupture 

and the chemical transmitter is released into the synaptic cleft. This 

process is passive process.  

THE MECHANISM OF ACTION OF THE CHEMICAL 

TRANSMITTER 

The transmitter moves in the fluid in the synaptic cleft by simple 

diffusion to the receptors on the postsynaptic membrane. It activates 

these  receptors  to  generate  postsynaptic  potential  (PSP).  There 

are two types of PSPs; excitatory and inhibitory

 

1.  THE EXCITATORY POSTSYNAPTIC POTENTIALS (EPSPs) 

EPSPs  are  produced  by  depolarization  of  the  postsynaptic 

membrane  due  to  sodium  influx.  The  action  of  the  chemical 

transmitter is to open the gated sodium channels leading to sodium 

influx.  Some  transmitters  produce  EPSPs  by  closing  K

channels 

(membrane depolarization). 

 

2.  THE INHIBITORY POSTSYNAPTIC POTENTIALS (IPSPs

)  

IPSPs  are  produced  by  hyperpolarization  of  the  postsynaptic 

membrane  due  to  C1

-

  influx  and  /  or  K

+

  efflux.  The  action  of  the 

transmitter  in  this  case  is  to  open  the  gated  chloride  and  /  or 

potassium  channels.  The  IPSPs  decrease  the  excitability  of  the 


background image

10 

 

postsynaptic  neuron  and  resist  the  development  of  any  action 

potential in it. 

The  excitatory  and  inhibitory  postsynaptic  potentials  do  not 

obey  the  all  or  none  rule.  They  can  be  summated  either 

temporally or spatially. 

 

SUMMATION OF THE POSTSYNAPTIC POTENTIALS 

 

There are two ways of summation of the postsynaptic potentials; 

temporal and spatial summation. 

1. TEMPORAL SUMMATION 

This  is  summation  of  the postsynaptic  potentials  produced by  a 

train of impulses on one presynaptic terminal, reaching the same 

synapse  one  shortly  after  the  other  (fig.  1-5).  Each  time  an 

impulse reaches the synapse it creates a PSP which is summated 

with other PSPs in its magnitude. 

 

Figure 1-5: The mechanism of temporal summation. 

Temporal  summation  is  possible  because  the  opening  of  a 

ligand-gated channel lasts for about one ms (millisecond) whilst 

the PSP produced by this opening lasts for about 15 ms. In this 

way any other opening of the same channel within 15 ms would 


background image

11 

 

produce another PSP that will potentiate the previous one. 

2. SPATIAL SUMMATION 

This  is  summation  of  postsynaptic  potentials  produced  by  multiple 

impulses in several presynaptic terminals which reach several synapses 

at the same moment (fig. 1-6). A large number of postsynaptic spots 

are stimulated simultaneously. This increases the stimulated surface 

area  of  the  postsynaptic  neuron.  The  simultaneously  generated 

postsynaptic potentials potentiate each other. 

 In most cases in vivo, both types of summation occur at the same 

time  (tempro-spatial  summation)  where  multiple  impulses  arrive 

one shortly after another at several presynaptic terminals. 

 

Figure 1-6: The mechanism of spatial summation 

 

THE RESULT OF SUMMATION OF PSPs 

An average neuron in the CNS receives about 1000 terminals from 

different  presynaptic  neurons.  Some  of  these  terminals  are 

excitatory  and  some  are  inhibitory.  Excitatory  and  inhibitory 


background image

12 

 

postsynaptic potentials may occur at the same time. Summation of 

PSPs results in one of two conditions in the postsynaptic neuron: 

 

1.  INHIBITORY  STATE 

This occurs when the inhibitory input is greater than the excitatory 

input  so  IPSPs  are  produced  and  the  cell  membrane  becomes 

hyperpolarized and its excitability decreases. 

 

2. EXCITATORY STATE 

This occurs when the excitatory input is greater than the inhibitory 

input  so  more  EPSPs  are  produced  and  the  cell  membrane 

becomes  depolarized.  When  depolarization  reaches  a  critical 

threshold level (the firing level) a propagated action potential (nerve 

impulse) is produced. 

The  propagated  action  potential  starts  at  the  initial  segment  of 

the neuronal axon not at the soma of the neuron because: 

i. The density of the voltage-gated Na

+

 channels at the initial 

segment is seven times as much as those at the membrane of 

the  soma.  This  allows  greater  and  faster  Na

+

  influx  which 

creates more rapid depolarization up to the firing level.   

ii. The depolarization required to open the voltage gated Na

+

 

channels  at  "the  initial  segment  is  only  +15  mV,  whilst  the 

required depolarization at the soma is +30 mV.  

This  explains  why  the  axoaxonic  synapses  are  the  most 

effective  in  exciting  the  postsynaptic  neuron.  This  is  because 


background image

13 

 

they  are  the  nearest  to  the  initial  segment.  The  least  effective 

synapses are the axodendretic synapses. 

 

THE EXCITATORY AND INHIBITORY NEURONS 

The  presynaptic  neuron  is  either  excitatory  or  inhibitory  to  the 

postsynaptic  neurons.  This  is  because  neurons  can  release  only 

one type of transmitter which is either excitatory or inhibitory to 

the postsynaptic neuron

co-transmitter may be released with the primary 

transmitter. It is, however, always a potentiator of the 

primary one. 

PRESYNAPTIC AND POSTSYNAPTIC INHIBITION 

Transmission of impulses across the synapse can be inhibited or 

blocked in two ways (fig. 1-6): 

1.  PRESYNAPTIC  INHIBITION 

Presynaptic  inhibition  is  the  inhibition  of  synaptic  transmission 

by  inhibiting  the  release of the  transmitter  from  the  presynaptic 

nerve  terminal.  It  can  be  induced  by  certain  drugs  (botulinum, 

toxin)  or  by  certain  inhibitory  neurons  (attenuators)  which 

synapse on presynaptic terminals. The attenuator neuron inhibits 

the  synapsin  phosphorylase  enzyme  of  the  excitatory  neuron  so 

the  transmitter  vesicles  remain  attached  to  the  cytoskeleton  and 

no release of the transmitter. 

 

 


background image

14 

 

 

 

Figure 1-7:  Presynaptic and postsynaptic inhibition. 

 

 

2.  POSTSYNAPTIC INHIBITION 

Postsynaptic  inhibition  is  inhibition  of  synaptic  transmission  by 

induction of an inhibitory state in the postsynaptic neuron. It is 

induced either by drugs or by inhibitory neurons. 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 16 عضواً و 385 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