Pytanie:
W jaki sposób mózg i nerwy wytwarzają impulsy elektryczne?
johnny1bucket
2011-12-15 20:27:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Informacje między mózgiem a nerwami obwodowymi są przesyłane za pomocą impulsów lub sygnałów elektrycznych. Jak więc niemetaliczna komórka ludzka jest w stanie przewodzić sygnał elektryczny?

Aby przyciągnąć ekspertów, powinniśmy prawdopodobnie unikać szerokich i podstawowych pytań na wczesnym etapie beta.
To pytanie wywołało [dyskusję na temat meta] (http://meta.biology.stackexchange.com/questions/17/should-we-encourange-the-relevant-questions-from-non-professionals).
Twierdziłbym, że jeśli ktoś jest tak „ekspertem”, że odstrasza go takie pytanie, to dobrze się pozbyć. Jasne, chcesz pozostać na temacie, ale daj spokój! To było wspaniałe pytanie i NAPRAWDĘ pouczająca i dobrze przemyślana odpowiedź. Trochę mniej techniczny niż ideał? prawdopodobnie, ale zamknięcie tego jest przesadną reakcją.
@Dr.Dredel, zobacz dyskusję na temat meta i skomentuj ją
Dwa odpowiedzi:
#1
+44
yamad
2011-12-15 23:26:25 UTC
view on stackexchange narkive permalink

To dość duże pytanie! Spróbuję nakreślić podstawowy widok.

Najpierw przyjrzyjmy się, jak neurony sygnalizują między sobą. Kanonicznym sposobem, w jaki neuron wysyła sygnał do neuronu znajdującego się niżej, jest generowanie potencjału czynnościowego , „impulsu elektrycznego”, o którym słyszałeś. Ten potencjał czynnościowy powoduje uwolnienie neuroprzekaźnika w punkcie, w którym dwie komórki są bardzo blisko siebie, zwanym synapsą . Dolna komórka postsynaptyczna odbiera sygnał neuroprzekaźnika i przekształca go w mały sygnał elektryczny. Jeśli wystarczająca ilość tych małych sygnałów elektrycznych pojawi się w krótkim czasie, sumują się i prawdopodobnie zainicjują potencjał czynnościowy w drugiej komórce, a cykl powtarza się w całym obwodzie.

Jak generowany jest sygnał elektryczny ? Podstawy tego, jak to działa, zostały najsłynniej opracowane przez Hodgkina i Huxleya w 1952 roku. Krótka historia jest taka, że ​​ błona plazmatyczna jest wybiórczo przepuszczalna dla jonów . Zbudujmy koncepcję od podstaw.

Przybornik

  1. Wyobraź sobie kulę błony plazmatycznej, która reprezentuje prosty neuron. Na początek zakładamy, że ta błona jest nagim lipidem bez białek związanych z błoną. Ze względu na hydrofobowość dwuwarstwy naładowane cząstki nie mogą dyfundować przez membranę.

  2. Komórka jest kąpana, wewnątrz i na zewnątrz, w roztworze zawierającym wiele jonów (naładowanych atomów), w tym sód (Na +), potas (K + ), chlorek (Cl-) i wapń (Ca2 +). Jak zauważyliśmy powyżej, jony te nie mogą przejść przez błonę bez „pomocy”.

  3. Teraz dodajemy białko pompy jonowej do błony, które wypompowuje jony sodu i jony potasu do środka. Ta konkretna pompa, Na-K ATPaza , wytwarza nadmiar jonów sodu na zewnątrz komórki i nadmiar jonów potasu w środku.

  4. Teraz dodajemy do membrany kanał jonowy potasu. Białko to tworzy pory w błonie, które przepuszczają tylko jony potasu. Pory tego konkretnego białka są zawsze otwarte. Teraz zaczyna się ekscytować ...

  5. Co teraz robią jony potasu, kiedy mogą przejść przez błonę? Jony będą się poruszać w oparciu o siły wytworzone przez ich gradienty elektrochemiczne . Pompa wytworzyła gradient chemiczny, umieszczając nadmiar K + w środku, więc jony K + zaczęły wypływać przez kanały jonowe. Ale jony K + są naładowane dodatnio, więc kiedy wypływają, ładunek dodatni zaczyna się gromadzić na zewnątrz, a ładunek ujemny wewnątrz. Ten gradient elektryczny przeciwstawia się gradientowi chemicznemu, mając tendencję do wciągania jonów K + do komórki, podczas gdy gradienty chemiczne wyciągają jony K +. Napływ i wypływ osiągają równowagę przy potencjale Nernsta, gdzie siły elektryczne i chemiczne są równe. Dla fizjologicznych stężeń jonów K + potencjał równowagi K + wynosi około -80mV lub -90mV. Oznacza to, że jony K + będą płynąć do momentu, gdy na zewnątrz komórki będzie 80-90 mV bardziej dodatnie niż wewnątrz komórki. Zaczęliśmy od 0 mV, więc jony K + w większości wypływają.

  6. Mamy teraz potencjał błonowy , różnicę w potencjale elektrycznym między wnętrzem a poza komórką przy około -80mV (zwykle bliżej -70mV lub -60mV w „prawdziwym życiu”). W szczególności ten potencjał błonowy to potencjał spoczynkowy , który istnieje, gdy komórka nie jest aktywna. Na razie możemy uprościć i pomyśleć o potencjale spoczynkowym ustalonym przez spoczynkową przepuszczalność błony dla jonów potasu, ale nie dla jonów sodu. Nazywamy tę membranę spolaryzowaną, a zatem depolaryzacja występuje, gdy potencjał błony staje się bardziej dodatni, a hiperpolaryzacja występuje, gdy potencjał błony staje się bardziej ujemny.

  7. Teraz dodajemy do membrany kanał sodowy bramkowany napięciem , kanał jonowy, który przepuszcza tylko jony sodu, ale zwykle jest zamknięty. Bramkowanie napięcia oznacza, że ​​ten kanał jonowy jest wrażliwy na potencjał błony. Przy potencjale spoczynkowym pory są zamknięte, a membrana jest nadal nieprzepuszczalna dla jonów sodu. Kiedy potencjał błony staje się nieco bardziej dodatni, kanały otwierają się i jony sodu mogą płynąć. Ten kanał jest również dezaktywowany , więc po otwarciu otwiera się tylko na krótki czas, wpuszczając ograniczoną ilość sodu.

  8. W jaki sposób popłynie sód, gdy otworzymy ten kanał? Ze względu na ujemny potencjał spoczynkowy (-70mV) i nadmiar jonów sodu na zewnątrz spowodowany pompą, zarówno gradient elektryczny, jak i chemiczny doprowadzi jony sodu do komórki. Potencjał równowagi sodowej wynosi zwykle około + 60 mV.

  9. Aby uzupełnić maszynerię do generowania potencjału czynnościowego, dodajemy również kanał potasowy bramkowany napięciem do membrany. Działa podobnie jak kanał sodowy bramkowany napięciem, który również jest zamknięty w stanie spoczynku i otwiera się, gdy potencjał błony staje się bardziej dodatni. Ten kanał otwiera się nieco wolniej niż kanał sodowy, ale nie dezaktywuje się.

Generowanie potencjału czynnościowego

Ok, więc jak to zrobić te części łączą się, aby wytworzyć impuls elektryczny?

  1. Komórka znajduje się na spoczynkowym potencjale błony, a wszystkie kanały bramkowane napięciem są zamknięte. Otrzymuje sygnał z komórki znajdującej się powyżej, który powoduje niewielką depolaryzację. Potencjał czynnościowy zapoczątkuje się, gdy potencjał błonowy osiągnie potencjał progowy .

  2. Przy potencjale progowym, bramkowane napięciem kanały sodowe otwierają się, umożliwiając przepływ jonów sodu do ogniwa. Strumień sodu ciągnie membranę od potencjału spoczynkowego (-70mV) w kierunku potencjału równowagi sodu (+ 60mV). Wartości te są daleko od siebie, więc siła napędowa jest duża i błona szybko depolaryzuje. To jest potencjał czynnościowy udar górny”.

  3. Depolaryzacja aktywuje również (nieco wolniejsze) kanały potasowe bramkowane napięciem. Jony potasu wypływają i kierują zdepolaryzowaną błonę (około + 20 mV na szczycie potencjału czynnościowego) z powrotem w kierunku potencjału równowagi potasu (-80 mV). W tym samym czasie kanały sodowe ulegają dezaktywacji, dzięki czemu sód nie depolaryzuje już błony. Szybkość repolaryzacji jest zwykle wolniejsza niż szybkość depolaryzacji. To jest potencjał czynnościowy udar w dół .

  4. Cały proces cyklu depolaryzacji / repolaryzacji potencjału czynnościowego trwa średnio około 2-3 milisekund. neuron. Gdy komórka ponownie osiągnie potencjały spoczynkowe, membrana jest zasadniczo resetowana. Kanały bramkowane napięciem są wyłączone. Pompa jonowa przenosi jony potasu, które wypłynęły, i jony sodu, które wpłynęły do ​​środka. Ta część membrany jest gotowa do wystrzelenia kolejnego potencjału czynnościowego!

Na koniec, Wspomnę, że bramkowany napięciem kanał sodowy zapewnia mechanizm dla potencjału czynnościowego do propagacji w dół aksonu. Potencjał czynnościowy jest inicjowany w jednym miejscu komórki i powoduje depolaryzację. Ta depolaryzacja powoduje, że kanały sodowe bramkowane napięciem w sąsiednich obszarach błony otwierają się i generują własny cykl potencjału czynnościowego. W ten sposób potencjał czynnościowy przemieszcza się wzdłuż aksonów (a czasem także dendrytów).

Zgrabne podsumowanie szerokiego pytania! Do jakich różnic odnosisz się, gdy potencjał spoczynkowy jest „zwykle bliższy -70 mV lub -60 mV w„ prawdziwym życiu ”? Poza tym, czy nie różni się to między komórkami?
W powyższej odpowiedzi upraszczam i mówię, że potencjał spoczynkowy błony * jest * potencjałem równowagi potasu. Na ogół tak nie jest, ponieważ większość potencjałów spoczynkowych jest nieco bardziej dodatnia, co wskazuje na zaangażowanie większej liczby jonów / kanałów niż tylko potasu. Tak, potencjały spoczynkowe różnią się między komórkami. Przyjmuję -70mV lub -60mV jako mój „praktyczny” potencjał spoczynkowy, ponieważ generalnie dotyczy on wielu pierwotnych neuronów pobudzających, takich jak hipokamp i korowe neurony piramidalne.
To bardzo interesujące, ale naprawdę się zastanawiam, kiedy piszesz „dodajemy”, co to znaczy? Czy jest jakaś pomoc komórkom w dostarczaniu neuronom potrzebnych jonów? Czy jest to jakoś przesyłane w drodze sygnału neuronowego (podczas impulsów)? A może składniki odżywcze są właśnie uwalniane do płynu mózgowo-rdzeniowego jak hormony?
@Probably W odpowiedzi buduję uproszczony model neuronu. Kiedy mówię „dodajemy”, mam na myśli „dodaj to do swojego mentalnego modelu części systemu”.
Tak, rozumiem, dzięki, po prostu pytałem bardziej szczegółowo. Na szczęście zadałem już to pytanie i otrzymałem dobrą odpowiedź tutaj: http://biology.stackexchange.com/questions/37317/how-do-neurons-receive-the-ions-needed-for-creating-electrical- impulsy
#2
+18
Alexander Galkin
2011-12-15 21:55:44 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zatem wprowadźmy kilka słów kluczowych.

„Impuls elektryczny”, który „jest wysyłany między mózgiem a nerwami”, nazywa się potencjałem działania (AP). To jest następnie namnażane wzdłuż włókna nerwowego aż do organu docelowego.

Zasadniczo komórka neuronowa ma ciało i kilka długich, rozciągniętych struktur, które „wyrastają” z ciała komórki. Dendryty odbierają sygnały z innych komórek i przekazują je do ciała komórki poprzez wytwarzanie niewielkich prądów elektrycznych. Akson to pojedynczy „kiełek”, który jest zwykle znacznie cieńszy i dłuższy niż dendryty i przenosi potencjały czynnościowe z okolic ciała komórki do docelowych komórek i narządów. Niektóre aksony mogą mieć nawet 80-90 cm (wyobraź sobie!)! W miejscu, w którym akson opuszcza ciało komórki nerwowej, znajduje się mały występ zwany pagórkiem aksonu .

AP pochodzi ze specjalnej części aksonu zwanej aksonem segment początkowy (AIS) . Początkowy odcinek to pierwsza część aksonu, która opuszcza ciało komórki i znajduje się bezpośrednio za pagórkiem aksonu.

Impuls elektryczny to krótkie wyładowanie elektryczne, które można postrzegać jako nagły ruch wielu naładowane cząstki z jednego miejsca do drugiego. W naszych komórkach mamy jony Na + (sód), K + (potas) i Cl - (chlorek) (aw niektórych przypadkach także Ca 2+ ), które stanowią te naładowane cząstki.

Istnieją dwa rodzaje sił napędowych dla tych cząstek: oprócz gradientu potencjału , np. Różnica w całkowitym ładunku w dwóch różnych miejscach jest jeszcze jedna siła zwana gradientem stężenia , np. różnica stężeń w dwóch różnych miejscach. Siła ta może kierować się w przeciwnych kierunkach, a zatem wykorzystując jedną siłę (powiedzmy, gradient stężeń), możemy wpływać na inną.

To, czego tutaj potrzebujemy, to tak zwana membrana półprzepuszczalna , to tylko bariera dla jonów, ale tylko dla określonych. Potrzebujemy tego, ponieważ nasze główne jony - Na + i K + - są naładowane dodatnio. Dlatego błona komórkowa działa jak membrana półprzepuszczalna, przepuszczając K + do komórek, a jony Ca 2+ na zewnątrz, ale nie odwrotnie. Dlatego mamy dwa gradienty stężeń : Na + (na zewnątrz jest szczyt) i K + (wewnątrz jest szczytem).

Aby rozpocząć impuls, musimy zainicjować masywny dryf jonowy z jednego miejsca do drugiego. Dokonuje tego komórka, a pierwszym zdarzeniem tutaj jest drastyczna zmiana (wzrost) przepuszczalności jonów Na + . Jony Na + wnikają masowo do komórki, a ich ładunki przenoszone do komórki tworzą skok w górę potencjału czynnościowego .

Mechanizm ochronny komórki natychmiast zaczyna działać przeciwko inwazji Na + i otwiera rezerwowe boczniki - kanały K + . K + opuszcza komórkę, odbierając trochę ładunku, co objawia się jako zanik potencjału czynnościowego. Ale kanały potasowe są generalnie wolniejsze, dlatego zanik impulsu jest bardziej równomierny, a nie tak gwałtowny jak skok w górę.

Możesz się teraz zastanawiać: co powoduje wtedy szybką zmianę przepuszczalności błony? Jest kilka czynników, które mogą mieć wpływ na ten proces.

  1. Potencjalna zmiana membrany. Kanały sodowe i potasowe są wrażliwe na napięcie , co oznacza, że ​​jeśli uda się zmienić potencjał spoczynkowy błony, powstały w wyniku gradientów stężeń i zwykle wynosi około -90 ...- 80 mV (miliwoltów) do około -40 mV uruchomi kanały sodowe. W ten sposób propaguje się impuls - powstający w jednym miejscu zmniejsza po prostu potencjał spoczynkowy sąsiedniego obszaru błony, sód dostaje się tam do komórki, a AP przemieszcza się wzdłuż nerwu. AIS jest miejscem inicjacji AP, ponieważ ta część komórki ma bardzo dużą gęstość kanałów sodowych bramkowanych napięciem.

  2. Czynniki chemiczne, zwane neuroprzekaźnikami, można wykryć za pomocą receptory na błonie komórkowej. Niektóre z tych receptorów same są kanałami jonowymi i otwierają się bezpośrednio po związaniu neuroprzekaźnika. Inne receptory działają poprzez sygnały wewnątrzkomórkowe, otwierając kanały jonowe. W ten sposób sygnał pojawia się w miejscach kontaktu komórek nerwowych - neuroprzekaźniki, takie jak acetylocholina lub adrenalina, działają tutaj jako wyzwalacze przepuszczalności błony.

Niezły przegląd, ale chciałem wspomnieć o kilku wyjaśnieniach. Czy masz na myśli * wzgórek aksonu * zamiast * wzgórze aksonów *? Również w początkowym segmencie aksonu (nieco dalej wzdłuż aksonu niż wzgórek) faktycznie ma miejsce inicjacja AP. Dendryty są krótsze, ale zwykle mają większą średnicę niż aksony. Użyłbym słowa * neuroprzekaźniki * zamiast * mediatorów *.
@yamad: Masz całkowitą rację! Po prostu edytuj mój post. Nie jestem native speakerem i od jakiegoś czasu nie pisałem nic o biologii, więc moje słownictwo może być zardzewiałe i nieprecyzyjne. Dziękuję za poprawki!
Nie ma problemu! Mówisz / piszesz po angielsku lepiej niż większość rodzimych użytkowników języka angielskiego. Właśnie dokonałem kilku istotnych zmian, aby wszystko było jaśniejsze. Mam nadzieję, że to pomoże.
Dziękuję za ciepłe słowa! Zwykle następnego dnia przeglądam swoje posty, aby je dopracować, wkrótce zintegruję twoje uwagi.


To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...