BI 315 – Systems Physiology

what is Central nervous system (CNS)?

READING NOTES – CHAPTER 6

(Responsible for everything except pgs. 168­170  but read GABA section)

Key Terms

∙ Central nervous system (CNS): brain and spinal cord

∙ Peripheral nervous system (PNS): nerves that connect the brain and spinal cord with the  body’s muscles, glands, sense organs, and other tissues 

∙ Neuron: individual cell of the nervous system (Not a nerve!); generate electrical signals  to other cells to communicate

∙ Nerves: groups of afferent and efferent neuron axons, myelin, connective tissue, and  blood vessels 

∙ Neurotransmitters: chemical messengers often released by neurons that communicate  with cells

∙ Glial cells: non­neuronal cells that are important in supportive functions for neurons

Section A (6.1­6.4) – Cells of the Nervous System

∙ Neuron structure (6.1)

o Cell body (soma): contains nucleus and ribosomes

what is Peripheral nervous system (PNS)?

o Dendrites: high branched outgrowths of cell that receive incoming information  from other neurons

 Increases surface area to receive more signals (can have as many as 

400,000 dendrites that branch into dendritic spines to receive many 

signals)

o Axon (nerve fiber): long process that extends from cell body and carries outgoing  signals to target cells; can be few microns to over a meter in length We also discuss several other topics like rajan mahadevan

 Initial segment (axon hillock): location where propagated electrical 

signals are generated

 Collaterals: branches on axon; more branches = more cells it can target  May be covered by a myelin sheath, which speeds up conduction of 

electrical signals along axon and conserves energy

∙ CNS: myelin is formed by glial cell called oligodendrocyte

∙ PNS: myelin is formed by glial cell called Schwann cell

what is Neuron?

∙ Space between sections of myelin: nodes of Ranvier

 Axonal transport: movement of molecules from cell body to axon 

terminals, help from kinesins (anterograde movement to axon terminals)  and dyneins (retrograde movement towards cell body) which use ATP to  walk along microtubules 

o Axon terminal: site of neurotransmitter release

o Varicosities: bulging areas where neurotransmitters are released along axon ∙ Functional classes of neurons (6.2)

o Afferent neurons: convey info from tissues/organs towards CNS

 Sensory receptors: at peripheral ends of afferent neurons; respond to  physical/chemical changes in environment by generating electrical signals  Only have 1 process (axon) associated with cell body, which branches into a peripheral process (afferent terminal branches converge with receptor  endings) and a central process (enters CNS to form junctions w other 

cells)

o Efferent neurons: convey info from CNS to effector cells (muscles, glands, etc.)  Cell bodies and dendrites generally in CNS, only axon is in periphery o Interneurons: connect neurons within CNS; most neurons in body (99%)  for every afferent neuron, there is about 10 efferent neurons and 200,000  interneurons If you want to learn more check out the annual salary for elementary teachers is​ left-skewed with a mean of​ $29,800 and a standard deviation of​ $2400. suppose a sample of 100 teachers was chosen. describe the sampling distribution of the sample mean.
We also discuss several other topics like r!(N-r)! For example, how many possible couple of different balls I can obtain, when I extract them from an urn containing 6?

 more interneurons between specific afferent and efferent neurons 

corresponds to complexity of action controlled (ex: millions involved in  connecting a smell to a memory)

o synapse: where signal is transmitted from one neuron to another by  neurotransmitters; usually occurs at presynaptic axon terminal and goes to  postsynaptic neuron

∙ glial cells (6.3)

o accounts for half of cells in CNS

o retain capacity to divide throughout life (unlike neurons)

o oligodendrocyte: forms myelin sheath around CNS cells

o astrocyte: regulates composition of extracellular fluid in CNS (removes K+ ions  and neurotransmitters around synapses); stimulates formation of tight junctions  between cells of walls of CNS capillaries 

 forms blood­brain barrier: selective filter for exchanged substances  present in blood/other tissues

 provides glucose to neurons and removes ammonia

 guides CNS neurons to final destinations in developing embryos 

 Very similar to neurons (ion channels, neurotransmitter receptors, etc.) o Microglia: perform immune functions in CNS; synapse remodeling and plasticity o Ependymal cells: line fluid­filled cavities in CNS; regulate production and flow  of cerebrospinal fluid

∙ Neuron growth and regeneration (6.4)

o Stem cells develop into neurons or glia in embryo in forming CNS  After last cell division, neuronal daughter cells differentiate and migrate to final destination and send out processes (axons and dendrites)

 Growth cone forms on end of growing axons to help find final target;  axon is attracting, supported, deflected from, or inhibited by many  If you want to learn more check out 1atm to torr
Don't forget about the age old question of Where is long-term memory located in the brain?

molecules in finding final destination

o Alcohol, drugs, radiation, malnutrition, and viruses have effect on developing  fetal nervous system when synapses are being formed If you want to learn more check out onemsci

o 50­70% neurons (along with axons and synapses) formed in embryonic CNS  undergo apoptosis

o Plasticity: brain’s ability to modify its structure and function in response to  stimulation or injury

 can generate new neurons or remodel synaptic connections; stimulated by  exercise or cognitive challenge activities

 varies with age (visual synapses: first 2 years of life; language learning  progressively decreases over life) 

 synaptic contacts change throughout life due to growth, learning, aging o axons can repair themselves as long as it occurs outside of CNS and does not  damage cell body

 piece of axon attached to cell body regenerates with new growth cone at  about growth rate of 1 mm per day

 spinal injuries cannot be fixed if cell bodies die or lose myelin sheath  (cannot transmit information effectively) 

Section B (6.5­6.7) – Membrane Potentials 

∙ Basic principles (6.5)

o two functions of a neuron: signal integration and cell­to­cell communication o electrical potential (potential): potential defined by two separated electrical  charges of opposite charge that could do work if allowed to come together;  difference in amount of charge between two points

o Ohm’s Law: current (movement of electrical charge) is equal to voltage divided  by resistance 

 water is a good conductor due to dissolved ions; ions can carry current  lipids are insulators; regions of high electrical resistance separating intra­  and extracellular fluids

∙ Resting membrane potential (6.6)

o Definition: potential across cell membranes normally; inside of cell is more  negative than outside; typically ­70 mV (represents difference between inside and  outside only – not actual value of charge on either side of membrane)

 RMP in neurons is anywhere from ­40 to ­90 mV

o Holds steady until an electrical current alters it

o Excess of negative ions collect in thin layer on inside of plasma membrane (not  distributed through cytosol) while excess of positive ions collect in thin layer on  outside

o Na+, Cl­ are 10­30 fold larger in concentration on outside of cell; K+ is 10­30 fold  larger in concentration on inside of cell

 Concentration gradients for K+ and Na+ are established by Na+/K+­ATPase  pump; Cl­ concentration varies between cell types

o Magnitude depends on differences in specific ion concentrations in intra­ and  extracellular fluids and difference in membrane permeability to different ions and  presence ion pumps

o Membrane potential differences influences movement of ions across membrane  Ex) Figure 6.10 and 6.11

o Equilibrium potential: the value to which each ion would bring the membrane  potential if it were the only permeating ion (assuming unequal concentrations on  either side of membrane)

 Depends on the concentration gradient for given ion across membrane  (large concentration gradient = large equilibrium potential due to larger  movement of ions to balance)

 Different ions have different magnitudes and directions of equilibrium  depending on concentration gradient

o Nernst equation: describes equilibrium potential for any ion 

61Zlog(C( out) 

C( ¿) )

 E(ion) for Na+ is +60 mV while for K+ it is ­90 mV

o The greater the permeability of a membrane of a specific ion, the greater of an  impact that ion will have on membrane potential

 Goldman­Hodgkin­Katz (GHK) equation: accounts for concentrations  of K/Na/Cl inside and outside of cell in membrane potential 

 V ( m)=61log(PK [ K (out )]+PK [ Na (out )]+PK(Cl (¿) ]

PK[K (¿) ]+PK( Na ( ¿) ]+PK(Cl (out )] )

o K+ is most permeable to membranes, which is why RMP is close to its  equilibrium potential

 Constantly moving down concentration gradient via leak channels (Na+ is also moving through fewer leak channels, which is why RMP does not  exactly equal K+ equilibrium potential)

 ATPase pump moves ions back out (unequal 3 Na and 2 K establishes  gradient in the first place = electrogenic pump) 

∙ Graded potentials and action potentials (6.7)

o Excitability: the ability to produce electrical signals that can transmit info  between different regions of the membrane (excitable membranes) 

 Includes all neurons and muscle cells

 Depolarized: membrane potential becomes less negative than RMP   Overshoot: reversal of membrane potential; inside of cell becomes  positive relative to outside

 Repolarized: depolarized membrane returns to RMP

 Hyperpolarized: potential is more negative than RMP

o Graded potentials: changes in membrane potential confined to relatively small  region of membrane

 Magnitude can vary based on magnitude of initiating event

 Includes receptor potentials, synaptic potentials, pacemaker potential  Can be depolarizing or hyperpolarizing

 Important in signaling over short distances

 Local current is decremental: flow of charge decreases over distance from site of origin

 Can be summated

o Action potentials

 Important in long­distance signals and with neuronal and muscle cell  membranes; travels down axons

 Very rapid; can repeat at frequencies of hundreds per second

 Only occurs if stimulus can elevate membrane potential to threshold (all or­none)

∙ Stimuli that barely do that: threshold stimuli

 Same size regardless of strength of stimuli above threshold stimuli (signal  information is dependent on frequency of action potential, not amplitude)  Generation of action potentials is limited by local anesthetics (including  procaine (Novocain) and lidocaine (Xylocaine)) by blocking voltage gated Na+ channels (cannot open)  no signal of pain is received

∙ Tetrodotoxin in puffer fish works the same way

 Cannot be summed due to refractory period needed

∙ Absolute refractory period: when Na+ channels are already open  or inactivated; cannot receive new action potential; reason why a  signal only moves in one direction down an axon

∙ Relative refractory period: occurs during hyperpolarization;  some Na+ channels have fully closed and can thus be reopened if  strong enough stimulus allows threshold to be reached despite 

hyperpolarization 

o Types of ion channels (review from chapter 4)

 Ligand­gated

 Mechanically­gated

 Voltage­gated

o Action potential mechanism:

 Begins with a depolarizing stimulus (less negative); stimulates opening of  some Na+ channels

 Once threshold potential is reached, depolarization becomes a positive  feedback loop and all Na+ channels open; causing overshooting;  approaches Na+ equilibrium potential of +60 mV

 Inactivation of Na+ channels by inactivation gate prevents equilibrium  potential from being reached; breaks positive feedback loop; K+ channels  have finally opened (very slow compared to Na)

 K+ flux out of cell causes repolarization; causing Na+channels to close  Membrane is momentarily hyperpolarized as K+ channels are slow to close in negative feedback loop (afterhyperpolarization); then RMP is restored o Action potential propagation can only occur if each point along the membrane  is depolarized to its threshold potential as it moves down the axon  New action potentials produce local currents of its own that depolarize the  region adjacent to it, which causes an action potential in that region  action potentials do not move, but sets off the next one

 Sequential opening and closing of Na+ and K+ channels along axon

 Action potential at end of axon is identical to initial one; they are not  decremental 

 Velocity depends on fiber diameter (larger = faster; less internal resistance and more ions can flow faster) and if it is myelinated (faster; less ion 

leakage and does not contain many Na+ channels so action potentials 

“jump” from nodes of Ranvier = saltatory conduction)

o Generation of action potentials 

 Afferent neurons: initial depolarization to threshold is achieved by a 

graded receptor potential generated in sensory receptors 

 All other neurons: achieved by graded synaptic potential (generated by  synaptic input) or pacemaker potential (spontaneous change in 

membrane potential)

Section C (6.8­6.14) – Synapses

∙ Excitatory synapse: membrane potential of postsynaptic neuron is brought closer to  threshold (depolarized)

∙ Inhibitory synapse: membrane potential of postsynaptic neuron is driven farther from  threshold (hyperpolarized) or stabilized

∙ Convergence: many presynaptic cells affecting one postsynaptic cell

∙ Divergence: a single presynaptic cell affecting many postsynaptic cells ∙ Functional anatomy of synapses (6.8)

o Electrical synapses

 Plasma membranes of pre­ and postsynaptic cells are linked by gap 

junctions to allow local current to flow directly across junction

 Advantage: communication is extremely rapid

 Function: synchronization of electrical activity among neurons clustered  together in CNS and communication between glial cells and neurons

 Conductance modulated by membrane voltage, intracellular pH, Ca2+ 

concentration

o Chemical synapses 

 Presynaptic axon terminals hold synaptic vesicles that contain 

neurotransmitters

 Postsynaptic membrane has postsynaptic density: a bunch of proteins that will receive neurotransmitters

 Synaptic cleft: region between pre­ and postsynaptic cells

∙ Mechanisms of neurotransmitter release (6.9)

o Prior to activation, synaptic vesicles are docked on the presynaptic membrane at  active zones by SNARE proteins

o Release is activated when an action potential reaches presynaptic terminal  membrane

 Depolarization activates influx of Ca2+ channels

o Ca2+ ions help fusion of docked vesicles to membrane by binding to  synaptotagmins on vesicle (causes conformation change in SNARE proteins),  releasing neurotransmitters into cleft

o Vesicles either fully fuse into membrane to be recycled or perform “kiss­and­run  fusion”

∙ Activation of postsynaptic cell (6.10)

o Fraction of released neurotransmitters will bind to receptors on postsynaptic  plasma membrane

 Can be ion channels (ionotropic receptors), or indirectly influence ion  channels via G­proteins/second messengers (metabotropic receptors)  Binding of neurotransmitter causes change in membrane potential

 Reversible process; ion channels return to resting state when 

neurotransmitters are no longer bound

o Unbound neurotransmitters are removed by active transport into presynaptic axon  terminal for reuse (reuptake), transported to nearby glial cells for degradation,  diffuse away from receptor site, or enzymatically transformed into inactive  substances

o Excitatory postsynaptic potential (EPSP): depolarizing graded potential that  decreases in magnitude as it spreads; functions to bring postsynaptic membrane  potential closer to threshold (occurs at excitatory chemical synapse) 

 Opens channels for Na+ and K+ (net positive flow due to Na+)

o Inhibitory postsynaptic potential (IPSP): hyperpolarizing graded potential that  lessens the likelihood that postsynaptic cell will reach threshold and generate an  action potential

 Stabilization can also occur in place of hyperpolarization

 Opens channels for Cl­ or K+ channels (net negative flow)

∙ Synaptic Integration (6.11)

o Action potentials generally need more than one excitatory synapse event to occur  Up to hundreds of excitatory synapses can be activated at once, adding  together to cause a single action potential

o EPSPs and IPSPs interact, which controls of an action potential occurs or not  Temporal summation: input signals that were created at different times  add together (the second occurs before the first is completely gone)

 Spatial summation: input signals created at the same time but from  different locations add together 

 An EPSP and an IPSP will cancel each other out

o Different parts of the neuron will have different thresholds

 Initial segment of axon has a more negative threshold (less depolarization  needed) than dendrites or cell body  higher density of Na+ channels

o Neuronal responses almost always occur in bursts of action potentials, not just  single, isolated events

∙ Synaptic strength (6.12)

o Presynaptic mechanisms

 Release of neurotransmitters is not a constant amount; amount varies due  to concentration of Ca2+ in the cell (higher concentration = more release)  The greater the release of neurotransmitters, the more ion channels opened in postsynaptic membrane, the greater the amplitude of EPSP or IPSP

 Neurotransmitters can bind to receptors on presynaptic membrane, causing more Ca2+ influx and more release

∙ Axo­axonic synapse: may be associated with presynaptic 

receptors; axon terminal of one neuron ends on axon terminal of 

another (ex: how A can affect C indirectly through B)

∙ Receptors can be ionotropic (rapid effect) or metabotropic (slow)

∙ Can result in presynaptic inhibition (A decreases amount that B 

releases on C) or presynaptic facilitation (A increases amount 

that B releases on C)

 Autoreceptors: presynaptic terminal is activated by neurotransmitters  released by own axon terminal; important feedback mechanism for release (usually negative feedback)

o Postsynaptic mechanisms

 A given signal transduction mechanism may be regulated by multiple  neurotransmitters and may be associated with many second­messenger  systems 

 Receptor desensitization: a receptor eventually fails to respond to the  continued presence of a neurotransmitter (why tolerances exist)

 Cotransmitters can bind with neurotransmitters – more complexity in  postsynaptic response (plasticity)

o Modification of synaptic transmission by drugs and disease

 Recreational drugs alter synaptic mechanisms/strength by interfering with  or stimulating normal processes in neurons controlling synthesis, storage,  release of neurotransmitters and receptor activation (figure 6.34)

 Agonists: ligands that produce a response similar to normal activation  Antagonists: ligands that bind to receptor but produce no response ∙ Agonists and antagonists can affect pre­ and postsynaptic receptors  Tetanus toxin: results in tetanus, which destroys SNARE proteins in  presynaptic terminal of inhibitory neurons; vesicles cannot fuse and 

release neurotransmitters; results in muscle contraction and rigid or spastic paralysis

 Botulism: destroys SNARE proteins in presynaptic terminal of excitatory  neurons; results in reduced muscle contraction or flaccid paralysis

∙ Botox: low dose of botulinum toxin to reduce facial wrinkles, 

severe sweating, uncontrollable blinking, misalignment of eyes etc.

∙ Neurotransmitters and neuromodulators (6.13)

o Neuromodulators: chemical messengers that cause complex responses that  cannot be described as simply EPSP or IPSP 

 Hard to distinguish sometimes; released with neurotransmitters

 Modify postsynaptic cell’s response to neurotransmitters (amplify or  dampen effect of synaptic activity)

 May change presynaptic cell’s synthesis, release, reuptake, or metabolism  of neurotransmitter

 Often bring changes in metabolic activity usually via G­proteins and  second­messenger systems; can occur over minutes or days (compare to  neurotransmitters: elicit excitatory or inhibitory response immediately)

 Associated with slow events: learning, development, motivation o Acetylcholine (ACh) 

 Major PNS neurotransmitter at neuromuscular junction and in the brain ∙ Neurons that release ACh: cholinergic neurons

 Acetylcholinesterase is responsible for degradation of leftover ACh in  synaptic cleft; releasing choline and acetate 

∙ Sarin: chemical weapon that inhibits ACh­ase; buildup of ACh  causes overstimulation of receptors = muscle contractions, 

desensitization, and paralysis

 Nicotinic receptors: respond to nicotine as well as ACh 

∙ Present at neuromuscular junctions; important in cognitive 

function and behavior  (attention, learning, memory)

∙ Present in reward pathways  why nicotine is so addictive

 Muscarinic receptors: binds muscarine (poison in mushrooms) as well as ACh 

∙ Metabotropic and coupled to G­proteins

∙ Present where PNS nerves are present in peripheral glands, tissues, organs (including heart)

∙ Atropine: natural antagonist; use in eye drops to relax smooth  muscle of iris

 Alzheimer’s disease: degeneration of cholinergic receptors in brain ∙ Affects 10­15% over 65 and 50% over 85

∙ Lose of cholinergic receptors = decrease in ACh = loss of 

postsynaptic neurons that respond to ACh 

∙ Associated with declining language and cognitive abilities, 

confusion, memory loss

∙ Associated with genetic mutations (ex: beta­amyloid protein increase due to mutation on chromosomes 1, 14, and 21, which 

causes neuronal cell death)

∙ Environmentally affected (diet, exercise, mental stimulation) ∙ Drugs can slow progression 

o Catecholamines: catechol ring and amine group; derived from tyrosine (tyrosine   L­dopa  catecholamine; modulated by autoreceptors on presynaptic terminal)  Forms dopamine, norepinephrine, and epinephrine

∙ Biogenic amines: small, charged molecules formed from amino  acids

  Broken down in extracellular fluid and axon terminal by monoamine  oxidase (MAO)

∙ MAO inhibitors increase amount of norepinephrine and dopamine in synapse (slows degradation); treats mood disorders

 Control consciousness, mood, motivation, direct attention, movement,  blood pressure, hormone release

 In CNS, catecholamine receptors are found in brainstem and  hypothalamus; released to all parts of body

∙ All receptors are metabotropic 

 Norepinephrine and epinephrine are synthesized in adrenal glands ∙ Alpha­adrenergic receptors: alpha 1 and alpha 2; inhibit 

norepinephrine release in presynaptic cells and stimulate or inhibit  K+ channels in postsynaptic cells

∙ Beta­adrenergic receptors: beta 1, beta 2, and beta 3; act via G proteins to increase cAMP in postsynaptic cell

o Serotonin: produced from tryptophan 

 Works as neuromodulator (slow onset); serotonergic neurons innervate  every structure in brain and spinal cord (operates through at least 16  different receptors)

 Excitatory effect when involved with control of muscles

 Inhibitory effect on pathways mediating sensation

 Lowest activity during sleep, highest during alert wakefulness   Regulates food intake, reproductive behavior, emotional states (mood,  anxiety)

 Paroxetine (Paxil): reuptake inhibitor; used in treatment of depression;  side effects include decreased appetite and weight gain (drug affects many serotonin receptors)

 LSD: stimulates serotonin receptor in brain; produces intense visual  hallucinations 

o GABA (gamma­aminobutyric acid)

 major inhibitory neurotransmitter in brain

 modified form of glutamate 

 can bind to ionotropic (increases Cl­ flux into cell; causing IPSP) or  metabotropic receptors 

∙ alprazolam (Xanax) and diazepam (valium): affects ionotropic  receptors; reduce anxiety, prevent seizures, induce sleep

∙ ethanol stimulates GABA synapses and inhibits glutamate 

synapses, causing global depression of electrical activity in brain  reduced cognitive ability and motor coordination, inhibition of 

hearing and balance, memory loss, impaired judgment, 

unconsciousness 

∙ Neuroeffector communication (6.14)

o Many PNS neurons do not end at synapses, but at neuroeffector junctions in  muscles, glands, etc.

 Provides link between electrical activity of nervous system and effector  cell activity

o Evens at neuromuscular junction is similar to synapse events

 Neurotransmitter released diffuses to surface of effector cell, which can  have ionotropic or metabotropic receptors

Section D (6.15­6.19) – Structure of the Nervous System

∙ CNS: brain (6.15)

o Key terms

 Pathway (tract): group of axons traveling together in CNS (NO nerves in  CNS); includes long neural pathways (brain to spinal cord) and 

multisynaptic pathways (many neurons, branching axons)

 Commissure: group of axons that link right and left halves of brain

 Ganglion: a group of neuronal cell bodies with similar functions clustered together in PNS

 Nucleus: a group of neuronal cell bodies with similar functions clustered  together in CNS

o 3 regions of brain

 Forebrain: cerebrum and diencephalon

 Midbrain: heavily connected to pons and medulla oblongata (= form  brainstem)

 Hindbrain: pons, medulla oblongata, cerebellum

o Cerebral ventricles: 4 interconnected cavities filled with fluid to provide  support to brain

o Cerebrum

 Left and right hemispheres connected by corpus callosum; made up  outer shell of gray matter (cell bodies) and inner layer of white matter 

(myelinated fiber tracts) = cerebral cortex

∙ Highly folded (ridges: gyri; grooves: sulci) for increase in number 

and integration of neurons for signal processing

∙ Collects basic afferent info from environment, processes info into 

meaningful perceptual images, controls refinement of skeletal 

muscles 

 Subcortical nuclei underneath cortex

∙ Predominately basal nuclei; controls movement, posture, and 

complex aspects of behavior 

 Contains frontal, parietal, occipital, and temporal lobes

 Pyramidal cells form major output cells; nonpyramidal cells mostly 

involved in receiving inputs and processing info

 Limbic system: gray and white matter found in frontal­lobe cortex,  temporal lobe, thalamus, hypothalamus, fiber pathways

∙ Associated with learning, emotional experience, behavior, visceral  and endocrine functions

o Diencephalon

 Thalamus: collection of several large nuclei; integration center for most  inputs in cortex

∙ Key function in general arousal, focusing attention

 Hypothalamus: below thalamus; master command center for neural and  endocrine coordination 

∙ Most important area in homeostatic regulation of internal 

environment, including behaviors needed for survival 

(eating/drinking/reproduction)

∙ Connected to and regulates pituitary gland (endocrine structure)

 Epithalamus: includes pineal gland; controls circadian rhythm through  release of melatonin

o Cerebellum

 Important center for coordinating movement, controlling posture and  balance

∙ Receives info from joints, skin, eyes, etc. to do so

o Brainstem (midbrain, pons, medulla oblongata)

 Reticular formation runs through core of brainstem; essential for life ∙ Involved in motor function (eye movement control, reflexive 

orientation of body), cardiovascular and respiratory control, 

sleep/wakefulness mechanisms, focus attention

∙ Most biogenic amine neurotransmitters released from here

∙ Consists of loosely arranged nuclei with bundles of axons

∙ Influences both afferent and efferent neurons

 Cranial nerves: peripheral nerves connected directly to brain and  innervate muscles, glands, sensory receptors, thoracic and abdominal 

organs

∙ CNS: spinal cord (6.16)

o Gray matter: interneurons, cell bodies and dendrites of efferent neurons, entering  axons of afferent neurons, glial cells; forms butterfly­shaped area

 Dorsal horns: gray matter projecting towards back of body

 Ventral horns: gray matter projecting towards front of body

o White matter: myelinated axons surrounding gray matter; relays info from brain  to spinal cord or from spinal cord to brain and also between different levels of  spinal cord

o Dorsal roots: groups of afferent fibers entering spinal cord from peripheral  nerves; enters dorsal side of spinal cord

 Dorsal root ganglia: cell bodies of afferent neurons in dorsal root

o Ventral roots: axons of efferent neurons leaving spinal cord on ventral side

o Spinal nerve: dorsal and ventral roots from same level combine on each side of  spinal cord; carries both afferent and efferent info

∙ PNS (6.17)

o 43 pairs of nerves 

 12 pairs of cranial nerves (see Table 6.8)

 31 pairs of spinal nerves connected with spinal cord (cervical, thoracic,  lumbar, sacral, or coccygeal) (all nerves contain afferent and efferent 

fibers)

∙ Neurons at each vertebral level interact with nearby structures in 

that region (muscles, glands, sensory input)

∙ Cervical nerves (8 pairs) innervate neck/shoulders/arms/hands

∙ Thoracic nerves (12 pairs) associated with chest/upper abdomen

∙ Lumbar nerves (5 pairs) innervate lower abdomen/hips/legs

∙ Sacral nerves (5 pairs) innervate genitals/lower digestive tract

∙ Coccygeal nerves (1 pair) associated with skin over tailbone

o Efferent division: carry signals from CNS to muscles, glands, tissues  More complicated than afferent division

 Somatic NS: innervate skeletal muscle; cell bodies located in brainstem or ventral horn; release ACh 

∙ Motor neurons: innervate skeletal muscle; only cause contraction  (excitation)

 Autonomic NS: innervates smooth and cardiac muscle, glands, neurons in GI tract, etc.; can be excitatory or inhibitory

o Afferent division: convey info from peripheral sensory receptors to CNS; first  cells entering CNS in synaptically linked chains of neurons handling entering info ∙ Autonomic nervous system (6.18)

o Enteric NS: autonomic neurons innervating a neuronal network in wall of GI  tract

o Consists of 2 neurons in series that connect CNS and effectors

 Autonomic ganglion: synapse between 2 neurons; outside CNS

 Preganglionic neurons: neurons passing between CNS and ganglia  Postganglionic neurons: neurons passing between ganglia and effectors o Sympathetic division

 Fibers leave CNS from thoracic and lumbar regions of spinal cord

 Ganglia lie close to spinal cord; forms sympathetic trunks on either side  of spinal cord

 Other ganglia in abdominal cavity

 Activation usually leads to body­wide response

 Uses ACh between pre­ and postganglionic neurons; uses norepinephrine  between postganglionic neuron and effector

 Fight­or­flight response: increases heart rate and blood pressure and  blood flow to skeletal muscles, heart, brain; liver releases glucose; pupils  dilate; GI tract functions decrease

o Parasympathetic division

 Fibers leave CNS from brainstem and sacral region of spinal cord

 Ganglia lie within or close to organs innervated by postganglionic neurons  Activation leads to activation of specific organs finely tailored to 

physiological situation

 Uses ACh between pre­ and postganglionic neurons and also between  postganglionic neuron and effector

 Rest­or­digest response: opposite reaction of fight­or­flight responses o Postganglionic neurons are nonadrenergic or noncholinergic as well, which use  nitric oxide or other neurotransmitters to regulate GI, respiratory, urinary, and  reproductive functions

o Most autonomic NS drugs affect ACh or norepinephrine receptors (including  nicotine receptors in ganglia and muscarinic receptors in postganglionic neurons) o Adrenal medulla: endocrine gland in which postganglionic neurons do not  develop axons

 Neurons release 80% epinephrine and 20% norepinephrine into blood  (hormones)

 2 hormones have different affects due to different affinities to receptors ∙ Epinephrine: beta 2 adrenergic receptors 

∙ Norepinephrine: alpha 1 adrenergic receptors

o Dual innervation: heart, glands, smooth muscles can be innervated by both  sympathetic and parasympathetic fibers

 Usually have opposite effects on structure and usually reciprocally  (increase in one activity has decrease in other activity)

 Parasympathetic and sympathetic divisions usually operate together ∙ Protective elements associated with the brain (6.19)

o Meninges: membranous coverings between soft neural tissue and bone; protect  and support CNS; circulate and support cerebrospinal fluid

 Dura mater: next to bone

 Arachnoid mater: in middle

 Pia mater: thin, next to nervous tissue

 Subarachnoid space: between arachnoid and pia maters, filled with  cerebrospinal fluid (CSF)

 Meningitis: infection of meninges that occurs in CSF; results in 

intracranial pressure, seizures, loss of consciousness

o Choroid plexus: specialized epithelial structure that produces CSF (replenishes it  3x a day); CSF circulates through interconnected ventricular system to brainstem o CSF can provide important diagnostic info for NS diseases; obtained through  large needle inserted in spinal canal below second lumbar vertebra 

 Provides shock absorption for brain and spinal cord

 Accumulation of CSF: hydrocephalus; can cause compression of blood  vessels which can lead to neuronal damage and cognitive dysfunction o Most common form of brain damage is caused by decreased blood supply to brain  Even a few minutes without nutrients or oxygen causes damage: stroke (neuronal death)

 Brain receives 12­15% total blood supply 

o Blood­brain barrier: exchange of substances between blood and extracellular  fluid in CNS occurs here

 Complex mechanisms minimize the ability of harmful substances to reach  the brain (including potentially therapeutic drugs)

 Formed by cells that line the smallest blood vessels in the brain; includes  tight junctions, physiological transport systems

 Drugs that are not lipid­soluble get stuck in brain, leading to prolonged  effects (ex: morphine)

∙ Nonlipid­soluble molecules (ex: glucose) can have rapid effects  due to membrane transport proteins

 Drugs that are highly lipid­soluble have rapid effects in CNS (ex:  barbiturates, nicotine, caffeine, alcohol)

o CSF and extracellular fluid of CNS are in time, in diffusion equilibrium  Restrictive, selective barrier mechanisms in capillaries and choroid plexus  regulate extracellular environment of neurons of brain and spinal cord