The Electrical Personality of Neurons

1.4 The Electrical Personality of Neurons

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[MUSIC].
Hello and welcome to Neurobiology 101. In this lecture and in the next two
lectures, we'll introduce you to neurons, synapses, and brain regions.
Now you might have already taken a course or two in neuroscience or neurobiology in
your careers. And if so, you might consider skipping
this lecture and the next two ones. But on the other hand, if you do so, you
might miss on some of the entertainment we've planned in these lectures.
Okay, let's get started. If the brain is a stage, the star of the
show are the Jackie Chan, Julia Roberts, Shah Ruck Khan and Tom Cruise are rolled
into one. Would undoubtedly be the neuron.
Now here is an example of the neuron, this is a neuron from the visual cortex
and you can see that the neuron is extremely tiny.
The size of the cell body is only around 25 microns.
That's one micron is one millionth of a meter.
And you can also see that the cell has different branches, so the neuron has all
these branches which are called dendrites.
And there's also one slender branch that goes down like this and that's called the
axon. And as we'll see later, that conveys the
output of the neuron. Now this is not the only type of neuron
that exists in the brain. Let's look at some other types.
There is in fact, a veritable zoo of neurons, as shown by these wonderful
drawings by Ramon Y Cajal from the turn of the last century.
Here are some cells from the visual cortex.
And you'll notice that some of them, such as this one and this one, have a
triangular shaped cell body. These are called pyramidal neurons,
partly because of the shape of their cell bodies.
But also because their axons form what is known as the pyramidal track in the motor
system. Now here we have some cells from the
cerebellum. So these two cells over here are called
purkinje cells. And you'll notice they have a very
interesting branching structure in their dendrites.
And then finally here we have some cells from the Optic Tectum.
And once again we notice a wide variety of cells.
And you'll notice that they have different branching structures depending
on where they are in terms of the depth of their location.
Now when Ramon Y Cajal made these drawings back in the early 1900's, there
were some controversy in the field regarding the structure of the brain.
Now the two competing hypothesis were that, one, that the brain is a continuous
network and this was called the vaticular hypotheses.
And the other hypotheses was that the brain consists of discrete cells.
And when Ramon Y Cajal made these drawings and he had very clear
observations that the cells were indeed discrete.
This led to what is known as the neuron doctrine.
So what is the neuron doctrine? The neuron doctrine states that the
neuron is the fundamental structural and functional unit of the brain.
And moreover, the neurons are discrete, and thereby not continuous with other
cells. So there's actually some exceptions to
that rule, but it holds true for a majority of the brain regions.
And finally, the third part of the neuron doctrine states that, information flows
from dendrites via the cell body to the axon.
And once again, there are some exceptions to this rule, but it holds true for a
majority of neurons. So, this leads us to what we might call
an idealized model of a neuron. So let's look at what an idealized model
of a neuron looks like. Here's the idealized model of a neuron.
You can see that it has these dendrites, as well as a cell body and then the axon
that conveys the output of the neuron to other cells.
Now the inputs to the neuron might come from axons, from other neurons and how do
these inputs look like inside the neuron? They look something like this.
So each time you have an input from a neuron that is then translated into some
activity inside this neuron. It's going to give rise to what is known
as an EPSP or Excitatory Post-Synaptic Potential.
That's one kind of input that the cell might receive.
And if there's a whole bunch of them, so here's one, two, three, four.
And these are all EPSP's that arrive let's say almost simultaneously, then
what you get at the cell body or indeed in these regions.
If the, if these arrive in neighboring regions, it's a summation of the EPSP's,
and if there's enough of them, then the summation might reach a threshold.
And what you will get out of that is something called an action potential or
spike. So here is a depiction of an action
potential. And so what we have here is basically a
really simple model of inputs coming in from other neurons being summated in the
cell body. Followed by an output, which is called a
spike or action potential. And that happens if some particular
threshold is reached. When you have enough inputs coming into
the neuron. So that is a really simple depiction of
what happens in a neuron. Now let's go into a little bit more
detail. Let's start by asking what is a neuron.
Well a neuron is nothing but a leaky bag of charged liquid.
Now, I know that doesn't sound too attractive, but that's basically where it
is. It's a leaky bag of charged liquid.
Now, why is it a bag? Well, it's a bag because the contents of
the neuron are enclosed within a cell membrane.
What does the cell membrane consist of? It's actually a lipid bi layer.
So, here's a depiction of that. The bi layer.
And what do we mean by lipid? So do you know what a lipid is?
Well, lipid's are nothing but fat. And so what we have here is basically a
fatty bi layer. That is enclosing the contents of the
neuron. Now the bi layer.
The cell membrane is impermeable to charged ions such as sodium chloride and
potassium which are dissolved on the outside.
And are also present on the inside of the cell.
Now, if that was all that there was in our brains, just a cell membrane with
things on the inside and things on the outside.
Nothing much would be happening and things would be pretty boring.
So, things really get interesting because embedded within this, this particular sub
membrane are what are known as ionic channels.
Now these ionic channels allow ions to pass from the outside to the inside or
from the inside to the outside and that's where all the action happens.
And so we'll be looking at the actions of these ion channels in a little bit more
detail in the next few slides. Now you can see that the neuron has an
electrical personality because it maintains a potential difference between
the outside and the inside. So the inside of the cell, the inside of
a neuron is approximately minus 70 millivolts compared to the outside.
So if the outside is zero millivots, the inside is minus 70 millivolts.
And this is basically called the resting membrane potential because this is when
there is no spike or action potential. And this particular difference between
the outside and the inside is. Because there is a higher concentration
of certain ions on the outside compared to the ions on the inside.
So, in particular, there's more of sodium and chloride on the outside, compared to
on the inside. Now that's pretty interesting.
So why should there be more sodium and chloride?
And water, on the outside. Compared to the inside.
Well, if you want to speak on it a little bit.
Maybe it's because it's, reflect to where we came from as single cellular organism.
So recall that life. Perhaps began in the ocean.
And what does the ocean have? Well it's NACL.
Salt, so salty water. So perhaps, we're still living.
At least in our brains, in something like the ocean.
Anyway, that's just a speculation. Now, it's not sufficient to just have a
higher concentration of one set of ions and another set of ions on the inside.
What you really need to maintain this difference between the outside and the
inside is something called an Ionic pump. Which actively expels sodium from the
inside to the outside and then it also allows potassium ions from the outside to
the inside. So this takes energy.
So a lot of the energy that we consume is actually devoted to maintaining this
particular difference between the outside and the inside of neurons.
Well, if it's always minus 70 millivolts on the inside of the neuron, then things
are pretty boring. There's not much happening in the neuron.
So how do we influence a neuron's electrical personality?
Well how do we influence anyone's personality, whether it be electric or
not? Well, we need to provide them with some
inputs, so in the case of neurons what this amounts to is asking.
How can the electrical potential be changed in local regions of a neuron?
And the answer to this question, again comes down to, our good old friends, the
ionic channels. So the ionic channels, which I earlier
mentioned, are embedded in the cell membrane.
Are nothing but proteins, and they're selective in that they only allow
specific ions to pass through. So for example this particular ionic
channel might only allow sodiums. So perhaps these blue circles depict
sodium ions, and so only sodium ions are allowed to pass through.
Whereas the potassium or chloride ions which might be these yellow and red
circles are not allowed to pass through. Now to make things a little more
interesting, the ion, the ionic channels are gated.
So what do we mean by that? Well, they're gated in the sense that
they might change their property of being open or closed to ions.
According to conditions that are existing in the neighborhood of the ionic
channels. So for example, there's three different
types of ionic channels. One is voltage-gated, so in this case,
the probability that the ionic channel is open depends on the local membrane
voltage. So if the membrane voltage is high, for
example, then the channel might open and then it might allow sodium ions to come
through. And if the membrane voltage in this local
region is low then perhaps it will close and then no longer will sodium ions be
able to come inside the cell. Now similarly another set of ionic
channels are chemically gated. So in this case the opening of the
channels is determined by the presence of certain chemicals.
And these chemicals bind to the ionic channel, and the binding causes the ionic
channel to open and let inside certain ions.
Or perhaps let ions from the inside go outside.
We'll actually come to these chemically gated ionic channels later when we
discuss synapses. Synapses are examples of chemically-gated
ionic channels. And finally, there's another class of
ionic channels which are called mechanically-gated, because they are
sensitive to pressure or stretch. And so they open or close depending on if
there is pressure or if there's a stretch in the, the neighborhood.
These gated channels are what allow neuronal signaling and communication
between neurons in the brain. So here's an example, suppose you have
spikes that are arriving from another neuron, and the spikes arrive and
terminate at these locations. On this neuron number two, so these
junctions between the neurons are called synapses, and let's see what happens in
this particular region here. So when you have the inputs from other
neurons, in this case the input coming from this neuron's axon.
You have an opening of the chemically gated channels at these locations.
So, these chemically gated channels are at these synapses, one, two, and three,
and when these chemically gated channels open.
They are going to cause changes in the local membrane potential.
So for example here, if there are some sodium channels they might start opening,
and that in turn is going to cause sodium ions from the outside to come inside.
So do you know why they are coming inside?
Well, remember that there's more sodium ions on the outside, there's a higher
concentration. Which means that there's going to be a
diffusion of these sodium ions into the inside.
And since sodium ions are positively charged, they're going to cause an
increase in the local membrane potential. So what happens when you have an increase
in the local membrane potential? Well, this in turn is going to cause
opening or closing of voltage-gated channels.
So remember there's a second type of channels called voltage-gated.
So when the local membrane potential changes, is going to cause these voltage
gated channels to also start opening and closing.
And this in turn is going to result in either a depolarization which is, that's
a big word. But what it really means is a positive
change in the local voltage of the cell. And it might also, in the other case, it
might cause a hyperpolarization. So that's when for example, what will be
open here are some potassium channels, so remember that there is more potassium on
the inside compared to the outside. And so when these potassium channels
open, then you are going to have some of the positive charge.
So potassium is positively charged, you are going to have those potassium ions
diffusing to the outside. And that is going to result in a negative
change in voltage. So in either case, you're going to have
some changes in the local voltage of the different parts of the cell.
And now if there's a strong enough depolarization, which is, there's a
strong enough excitation. And then the excitation reaches that
particular threshold that we talked about then you're going to get a spike or an
action potential. So let's look at the action potential in
a little bit more details as to how it's generated as a result of these voltage
gated channels. So here's the action potential, and.
The reason why we have this particular shape of the action potential is because
of voltage-gated channels. So let's see how an action potential is
generated. So when there's a strong depolarization
or excitation in the cell then we have an opening of potassium channels.
And that's because these potassium channels are voltage gated.
And so when there's an increase in the membrane voltage you're going to have
these potassium channels opening, and that in turn causes a rapid influx.
Of these sodium ions from the outside of the cell into inside the cell.
And this causes even more channels to open, because remember these are
voltage-gated channels. And so when the membrane potential
increases, then even more channels are going to open.
And so here's a depiction of what happens.
So initially we have these sodium channels opening, and that's given by the
initial part of this trajectory of the action potential.
And as the membrane potential increases you have more sodium channels opening and
that's basically you can look at it as a positive feedback loop.
And so the more these sodium channels open, the more the local membrane
potential increases. And the more these sodium channels open
until you get to this very top and that's when you have these channels
inactivating. So, when these channels inactivate at the
same time, or approximately at the same time, you also have the potassium
channels opening. So we have the sodium channel closing,
and the potassium channels opening. And as the potassium channels open, you
know what happens? Well, since there's more of the potassium
ions on the inside, you're going to have an outflux of the potassium ions.
And that causes a decrease in the membrane potential.
And that's responsible for this downward slope of the action potential.
And finally. You get to the point where, at the very
end here of this cian block you're going to have the potassium channel also
closing and that completes the action potential.
So you have this very stereotypical shape of the action potential, which is given
by the sodium and the potassium channels opening and closing.
And this particular shape is, as we mentioned, very stereotypical.
So it means that there really isn't any information communicated between neurons
in the shape of the action potential. So it's not that one neuron has a short
action potential and another one has a long, tall action potential or that.
And one neuron has a very broad action potential.
Another one has a very narrow action potential.
They're all going to look the same because you have the property that the
action potential is given by the dynamics of the sodium channels opening and then
closing along with the potassium channels opening and closing.
So what happens to the action potential after it's generated at the initial
segment of the axon? Well, it's propagated along the axon as
depicted by this animation. So at each location on the axon you have
these sodium channels opening first and then that causes the rising edge, the red
part of the action potential. And then this is followed by those sodium
channels closing and the potassium channels opening as we saw in the
previous slide. And that causes the fall of the action
potential, so essentially you have the action potential propagating along.
The axon, as shown in this manner due to the opening and closing of the potassium
and sodium channels along the axon. If you thought that was a neat trick,
wait til you hear about this other trick that neurons have up their sleeve.
It's called myelination. So there are cells called
oligodendrocytes that grow these sheaths called myelin around the axon of cells.
So these sheaths are insulating sheaths, so they don't allow charge to pass
through. But they do leave open certain areas.
These are uncovered regions of the axon. These are called, nodes of Ranvier.
And so, here in this picture, the green are the Myelin sheaths, and the red,
uncovered parts are called the Nodes of Ranvier.
Now, why should the brain go to the trouble of covering parts of the axon,
and not covering other parts of the axon. Well, it turns out that there is a very
important function that the myelin serves.
And in particular the myelinated axon allows fast long-range communicational
spikes. So for example, if you want to
communicate spikes from the brain to other areas of the nervous system such as
distant parts of the spinal cord then the myelinated axon does the job for you.
How does it do its job? Well, here's what it does.
It allows the action potential that's generated near the cell body to
essentially hop from one non-myelinated region which is one of the nodes of
Ranvier to the next. And this is something that's called
saltatory conduction. So, let's see how this works in this
case. So if you have an action potential that's
generated in this particular node of Ranvier then through the cytoplasm.
There's a propagation of the charge and there's a buildup and another.
Action potential that's generated at each node of Ranvier, and so on until it
reaches the termination point. And so what you have is a fast and a
robust method of communicating spikes along the axon to its destination.
So we can call this a form of active wiring.
And this allows loss less signal propagation.
A very useful property to have. And you might have heard of a disease
called multiple sclerosis. And this disease happens because there is
an auto immune response where you essentially loose a lot of the myelin.
On your axons and so in that case unfortunately the cell loses it's
capacity to send these action potentials or spikes in a fast and robust manner.
So it will manifest itself in various forms and different symptoms all caused
by the fact that the axons are no longer myelemated.
Okay, so let's summarize what we've learned in this lecture.
We learned about neurons, and in particular, we learned that a neuron has
a cell body. It has these branches, that are called
dendrites. And a neuron also has a long, slender,
fiber, called an axon. And the axon carries the output of a
neuron. These outputs are essentially electrical
impulse called spikes or action potentials.
And these action potentials are delivered at these junctions between neurons and
these junctions are called synapses. So what happens at the synapse.
So what happens to the action potential, once it reaches the synapse.
That is something we going to learn in the next lecture.
So until then, ciao and[UNKNOWN]