Fyzika

Elektrické proudy v nesmírně složitý systém miliardy nervy v našem těle, nám umožňují vnímat svět, kontrolu částí našeho těla, a myslím, že. Jedná se o zástupce tří hlavních funkcí nervů. Za prvé, nervy přenášejí zprávy z našich smyslových orgánů a dalších do centrálního nervového systému, který se skládá z mozku a míchy. Za druhé, nervy přenášejí zprávy z centrálního nervového systému do svalů a dalších orgánů. Za třetí, nervy přenášejí a zpracovávají signály v centrálním nervovém systému. Pouhý počet nervových buněk a neuvěřitelně větší počet spojení mezi nimi činí tento systém jemným zázrakem, že je. Nervové vedení je obecný termín pro elektrické signály nesené nervovými buňkami. Je to jeden aspekt bioelektriky, nebo elektrické účinky a vytvořené biologickými systémy. Nervové buňky, správně nazývané neurony, vypadají odlišně od ostatních buněk-mají úponky, některé z nich dlouhé mnoho centimetrů a spojují je s jinými buňkami. (Viz Obrázek 1.) Signály přicházejí do buněčného těla přes synapse nebo přes dendrity, stimulují neuron k vytvoření vlastního signálu, který je poslán podél dlouhého axonu do jiných nervových nebo svalových buněk. Signály mohou přicházet z mnoha jiných míst a být přenášeny na další, kondicionování synapsí pomocí, což dává systému jeho složitost a schopnost učit se.

Obrázek 1. Neuron s jeho dendrity a dlouhým axonem. Signály ve formě elektrických proudů se dostávají do buněčného těla přes dendrity a přes synapse a stimulují neuron k vytvoření vlastního signálu vyslaného axonem. Počet propojení může být mnohem větší, než je zde uvedeno.

metoda, kterou tyto elektrické proudy jsou generovány a přenášeny je složitější než jednoduchý pohyb volných nábojů ve vodiči, ale to může být zřejmé, s principy již popsány v tomto textu. Nejdůležitější z nich jsou Coulombova síla a difúze. Obrázek 2 ukazuje, jak je napětí (potenciální rozdíl) vytvořeno přes buněčnou membránu neuronu v jeho klidovém stavu. Tato tenká membrána odděluje elektricky neutrálních tekutin s rozdílnou koncentrací iontů, nejdůležitějších odrůd je Na+, K+ a Cl– (tyto jsou sodné, draselné a chloridové ionty s jedním plus nebo minus poplatky, jak je uvedeno). Jak je popsáno v jevech molekulárního transportu: difúze, osmóza a související procesy, volné ionty difundují z oblasti s vysokou koncentrací do oblasti s nízkou koncentrací. Ale buněčná membrána je semipermeabilní, což znamená, že některé ionty ji mohou překročit, zatímco jiné nemohou. V klidovém stavu je buněčná membrána propustná pro K+ a Cl-a nepropustná pro Na+. Difúze K + a Cl-tak vytváří vrstvy kladného a záporného náboje na vnější a vnitřní straně membrány. Coulombova síla zabraňuje difúzi iontů v celém rozsahu. Jakmile náboje vrstvy vybudovala, odpor jako obvinění brání více z pohybující se napříč, a přitažlivost na rozdíl od obvinění brání více od odchodu obou stranách. Výsledkem jsou dvě vrstvy náboje přímo na membráně, přičemž difúze je vyvážena Coulombovou silou. Nepatrný zlomek nábojů se pohybuje napříč a tekutiny zůstávají neutrální (jsou přítomny další ionty), zatímco přes membránu bylo vytvořeno oddělení náboje a napětí.

Obrázek 2. Semipermeabilní membrána buňky má různé koncentrace iontů uvnitř i vně. Difúze pohybuje ionty K+ a Cl ve zobrazeném směru, dokud Coulombova síla nezastaví další přenos. To má za následek vrstvu kladného náboje na vnější straně, vrstvu záporného náboje na vnitřní straně, a tedy napětí přes buněčnou membránu. Membrána je normálně nepropustná pro Na+.

obrázek 3. Akční potenciál je pulz napětí uvnitř nervové buňky, který je zde graficky znázorněn. Je to způsobeno pohyby iontů přes buněčnou membránu, jak je znázorněno. Depolarizace nastává, když stimul činí membránu propustnou pro ionty Na+. Repolarizace následuje, když se membrána opět stává nepropustnou pro Na+ a K+ se pohybuje z vysoké na nízkou koncentraci. V dlouhodobém horizontu, aktivní transport pomalu udržuje koncentrační rozdíly, ale buňka může oheň stovky krát v rychlém sledu, aniž by to vážně poškozují je.

separace náboje vytváří potenciální rozdíl 70 až 90 mV napříč buněčnou membránou. I když se jedná o malé napětí, výsledné elektrické pole (E = v/d) přes jedinou membránu o tloušťce 8 nm je obrovské (řádově 11 MV/m!) a má zásadní vliv na jeho strukturu a propustnost. Nyní, pokud je exteriér neuronu považován za 0 V, pak má interiér klidový potenciál asi -90 mV. Taková napětí jsou vytvářena napříč membránami téměř všech typů živočišných buněk, ale jsou největší v nervových a svalových buňkách. Ve skutečnosti plně 25% energie používané buňkami jde k vytváření a udržování těchto potenciálů.

elektrické proudy podél buněčné membrány jsou vytvářeny jakýmkoli podnětem, který mění propustnost membrány. Membrána se tak dočasně stává propustnou pro Na+, která se pak vrhá dovnitř, poháněná jak difúzí, tak Coulombovou silou. Tento náraz Na + nejprve neutralizuje vnitřní membránu nebo ji depolarizuje a pak je mírně pozitivní. Depolarizace způsobí, že se membrána opět stane nepropustná pro Na+, a pohyb K+ se rychle vrátí buňky klidový potenciál, nebo repolarizes. Tato posloupnost událostí má za následek napěťový impuls, nazývaný akční potenciál. (Viz Obrázek 3.) Se pohybují pouze malé frakce iontů, takže buňka může střílet stokrát, aniž by vyčerpala nadměrné koncentrace Na+ a k+. Nakonec musí buňka tyto ionty doplnit, aby udržovala rozdíly v koncentraci, které vytvářejí bioelektričnost. To sodno-draselná pumpa je příkladem aktivního transportu, přičemž buněčné energie se používá pro pohyb iontů přes membrány proti difúzní gradienty a Coulombova síla.

akční potenciál je napěťový impuls na jednom místě na buněčné membráně. Jak se přenáší podél buněčné membrány, a zejména dolů axon, jako nervový impuls? Odpověď je, že měnící se napětí a elektrické pole ovlivňují propustnost sousední buněčné membrány, takže tam probíhá stejný proces. Sousední membrána depolarizuje, ovlivňuje membránu dále dolů a tak dále, jak je znázorněno na obrázku 4. Akční potenciál stimulovaný na jednom místě tedy spouští nervový impuls, který se pohybuje pomalu (asi 1 m/s) podél buněčné membrány.

obrázek 4. Nervový impuls je šíření akčního potenciálu podél buněčné membrány. Stimul způsobuje akční potenciál na jednom místě, který mění propustnost sousední membrány a způsobuje tam akční potenciál. To zase ovlivňuje membránu dále dolů, takže akční potenciál se pohybuje pomalu (z elektrického hlediska) podél buněčné membrány. I když je impuls způsoben tím, že Na+ a k+ prochází přes membránu, je ekvivalentní vlně náboje pohybující se podél vnější a vnitřní membrány.

některé axony, podobně jako na obrázku 1, jsou opláštěny myelinem, který se skládá z buněk obsahujících tuk. Obrázek 5 ukazuje zvětšený pohled na axon s myelinové pochvy charakteristicky odděleny nemyelinizovaná mezery (nazývané ranvierovy zářezy). Toto uspořádání dává axonu řadu zajímavých vlastností. Protože myelin je izolátor, zabraňuje signálům skákat mezi sousedními nervy (křížová řeč). Navíc myelinizované oblasti přenášejí elektrické signály velmi vysokou rychlostí, jako běžný vodič nebo odpor. V myelinizovaných oblastech neexistuje žádný akční potenciál, takže v nich není použita žádná buněčná energie. V myelinu dochází ke ztrátě IR signálu, ale signál se regeneruje v mezerách, kde napěťový impuls spouští akční potenciál při plném napětí. Takže myelinizovaných axonů přenáší nervový impuls, rychleji, s nižší spotřebou energie, a je lépe chráněna proti přeslechům, než nemyelinizovaná. Ne všechny axony jsou myelinizovaná, tak, že cross talk a pomalý přenos signálu jsou charakteristické pro běžný provoz tyto axony, další proměnné v nervovém systému.

degenerace nebo zničení myelinových pochev kolem nervových vláken narušuje přenos signálu a může vést k mnoha neurologické účinky. Jedním z nejvýznamnějších z těchto onemocnění pochází z těla vlastní imunitní systém napadá myelin v centrálním nervovém systému—roztroušená skleróza. Mezi příznaky RS patří únava, problémy se zrakem, slabost paží a nohou, ztráta rovnováhy a brnění nebo necitlivost v končetinách (neuropatie). Je vhodnější udeřit mladší dospělé, zejména ženy. Příčiny mohou pocházet z infekce, environmentálních nebo geografických vlivů nebo genetiky. V současné době neexistuje žádný známý lék na MS.

většina živočišných buněk může vystřelit nebo vytvořit svůj vlastní akční potenciál. Svalové buňky se stahují, když vystřelují, a jsou k tomu často indukovány nervovým impulsem. Ve skutečnosti jsou nervové a svalové buňky fyziologicky podobné a existují dokonce hybridní buňky, například v srdci, které mají vlastnosti nervů i svalů. Některá zvířata, jako nechvalně elektrický úhoř (viz Obrázek 6), využití svalů v oslabení tak, aby jejich napětí přidat za účelem vytvoření šok dostatečně velký k omráčení kořisti.

obrázek 5. Šíření nervového impulsu dolů myelinizovaným axonem, zleva doprava. Signál cestuje velmi rychle a bez příkonu energie v myelinizovaných oblastech, ale ztrácí napětí. Regeneruje se v mezerách. Signál se pohybuje rychleji než v nemyelinizované axony a je izolován od signálů v jiných nervů, omezení cross talk.

obrázek 6. Elektrický úhoř ohýbá svaly a vytváří napětí, které omráčí kořist. (kredit: chrisbb, Flickr)