fysiikka

sähkövirrat kehomme miljardien hermojen suunnattoman monimutkaisessa järjestelmässä antavat meille mahdollisuuden aistia maailmaa, hallita kehomme osia ja ajatella. Nämä edustavat hermojen kolmea pääfunktiota. Ensinnäkin hermot kuljettavat viestejä aistielimistämme ja muista keskushermostoon, joka koostuu aivoista ja selkäytimestä. Toiseksi hermot kuljettavat viestejä keskushermostosta lihaksiin ja muihin elimiin. Kolmanneksi hermot välittävät ja käsittelevät signaaleja keskushermostossa. Pelkkä hermosolujen määrä ja niiden välisten yhteyksien uskomattoman suuri määrä tekee tästä järjestelmästä sen hienoisen ihmeen, mikä se on. Hermojohtuminen on yleisnimitys hermosolujen välittämille sähköisille signaaleille. Se on yksi osa bioelektroniikkaa eli sähköisiä vaikutuksia biologisissa järjestelmissä. Hermosolut, joita oikein kutsutaan hermosoluiksi, näyttävät erilaisilta kuin muut solut: niissä on lonkeroita, joista jotkin ovat monen sentin pituisia ja yhdistävät ne toisiin soluihin. (KS. Kuva 1.) Signaalit saapuvat soluruumiiseen synapsien kautta tai dendriittien kautta, mikä stimuloi hermosolua tuottamaan oman signaalinsa, joka lähetetään pitkää aksoniaan pitkin muihin hermo-tai lihassoluihin. Signaalit voivat saapua monista muista paikoista ja välittyä toisiin, jolloin synapseja ehdollistetaan käyttämällä, mikä antaa järjestelmälle sen monimutkaisuuden ja kyvyn oppia.

Kuva 1. Neuroni dendriiteineen ja pitkine aksoneineen. Sähkövirtojen muodossa olevat signaalit kulkeutuvat soluruumiiseen dendriittien kautta ja synapsien läpi stimuloiden hermosolua tuottamaan oman aksonia pitkin lähetetyn signaalinsa. Yhteenliitäntöjen määrä voi olla paljon suurempi kuin tässä on esitetty.

menetelmä, jolla nämä sähkövirrat syntyvät ja välitetään, on monimutkaisempi kuin vapaiden varausten yksinkertainen liike johdimessa, mutta se voidaan ymmärtää jo tässä tekstissä käsitellyillä periaatteilla. Näistä tärkeimmät ovat Coulombin voima ja diffuusio. Kuvassa 2 havainnollistetaan, miten jännite (potentiaaliero) syntyy hermosolun solukalvon poikki sen lepotilassa. Tämä ohut kalvo erottaa sähköisesti neutraaleja nesteitä, joilla on erilaiset ionipitoisuudet, tärkeimmät lajikkeet ovat Na+, K+ ja Cl– (nämä ovat natrium -, kalium-ja kloori-ioneja, joilla on yksi plus-tai miinus-varaus, kuten ilmoitettu). Kuten molekyyli liikenteen ilmiöitä: diffuusio, osmoosi, ja niihin liittyvät prosessit, vapaat ionit diffuusi alueelta korkea pitoisuus yksi alhainen pitoisuus. Solukalvo on kuitenkin puoliperimätön,mikä tarkoittaa, että jotkut ionit voivat ylittää sen, kun taas toiset eivät. Lepotilassaan solukalvo on läpäisevä K+: lle ja Cl–: lle, ja läpäisemätön Na+: lle. Diffuusio K+ ja Cl – näin syntyy kerrokset positiivisen ja negatiivisen varauksen ulkopuolella ja sisällä kalvon. Coulombin voima estää ioneja hajaantumasta kauttaaltaan. Kun latauskerros on muodostunut, samankaltaisten latausten vastenmielisyys estää useampaa liikkumasta yli, ja toisin latausten vetovoima estää useampaa poistumasta kummaltakin puolelta. Tuloksena on kaksi varauskerrosta suoraan kalvolle, diffuusion ollessa tasapainossa Coulombin voiman kanssa. Pieni murto-osa varauksista liikkuu poikittain ja nesteet pysyvät neutraaleina (muita ioneja on), kun taas kalvon poikki on syntynyt varauksen ja jännitteen ero.

kuva 2. Solun semipermenttisessä kalvossa on erilaisia ionipitoisuuksia sisällä ja ulkona. Diffuusio siirtää K+– ja Cl-ioneja esitettyyn suuntaan, kunnes Coulombin voima pysäyttää edelleen siirron. Tällöin syntyy positiivisen varauksen kerros ulkopuolelle, negatiivisen varauksen kerros sisälle ja siten jännite solukalvon poikki. Kalvo on yleensä läpäisemätön Na+: lle.

kuva 3. Toimintapotentiaali on jännitepulssi hermosolun sisällä. Se johtuu ionien liikkeistä solukalvon poikki, kuten on esitetty. Depolarisaatio tapahtuu, kun ärsyke tekee kalvosta läpäisevän Na+ – ioneille. Repolarisaatio seuraa, kun kalvo muuttuu jälleen läpäisemättömäksi Na+: ksi, ja K+ siirtyy korkeasta matalaan pitoisuuteen. Pitkällä aikavälillä aktiivinen kuljetus ylläpitää hitaasti pitoisuuseroja, mutta solu voi laueta satoja kertoja nopeassa tahdissa heikentämättä niitä vakavasti.

varauksen irtoaminen aiheuttaa 70-90 mV: n potentiaalieron solukalvon poikki. Vaikka tämä on pieni jännite, tuloksena oleva sähkökenttä (e = V/d) ainoan 8 nm: n paksuisen kalvon poikki on valtava (luokkaa 11 MV / m!) ja sillä on perustavanlaatuisia vaikutuksia sen rakenteeseen ja läpäisevyyteen. Jos hermosolun ulkopuolen katsotaan olevan 0 V: ssä, niin sisäosan lepopotentiaali on noin -90 mV. Tällaisia jännitteitä syntyy lähes kaikenlaisten eläinsolujen kalvoihin, mutta ne ovat suurimmillaan hermo-ja lihassoluissa. Itse asiassa täysin 25% solujen käyttämästä energiasta menee näiden potentiaalien luomiseen ja ylläpitämiseen.

solukalvoa pitkin kulkevat sähkövirrat syntyvät mistä tahansa ärsykkeestä, joka muuttaa kalvon läpäisevyyttä. Kalvo läpäisee siten tilapäisesti Na+: n, joka sitten syöksyy sisään sekä diffuusion että Coulombin voiman vaikutuksesta. Tämä NA+: n inrush neutraloi ensin sisäkalvon tai depolarisoi sen ja tekee siitä sitten hieman positiivisen. Depolarisaatio saa kalvon jälleen muuttumaan läpäisemättömäksi Na+: ksi, ja K+: n liike palauttaa solun nopeasti lepopotentiaaliinsa eli repolarisoi sen. Tämä tapahtumasarja johtaa jännitepulssiin, jota kutsutaan toimintapotentiaaliksi. (KS. Kuva 3.) Ioneista liikkuu vain pieniä fraktioita, jolloin solu voi tulittaa useita satoja kertoja heikentämättä Na+: n ja K+: n ylimääräisiä pitoisuuksia. Lopulta solun on täydennettävä näitä ioneja pitääkseen yllä konsentraatioeroja, jotka luovat bioelektroniikkaa. Tämä natrium-kalium-pumppu on esimerkki aktiivisesta kuljetuksesta, jossa solun energiaa käytetään ionien siirtämiseen kalvojen yli diffuusiogradientteja ja Coulombin voimaa vastaan.

toimintapotentiaali on jännitepulssi yhdessä paikassa solukalvolla. Miten se tarttuu solukalvoa pitkin ja erityisesti aksonia pitkin hermoimpulssina? Vastaus on, että muuttuvat jännite-ja sähkökentät vaikuttavat viereisen solukalvon läpäisevyyteen niin, että sama prosessi tapahtuu siellä. Viereinen kalvo depolarizes, vaikuttaa kalvon alempana, ja niin edelleen, kuten kuvassa 4. Siten yhdessä kohdassa stimuloitu toimintapotentiaali laukaisee hermoimpulssin, joka liikkuu hitaasti (noin 1 m/s) solukalvoa pitkin.

Kuva 4. Hermoimpulssi on aktiopotentiaalin eteneminen solukalvoa pitkin. Ärsyke aiheuttaa yhdessä paikassa toimintapotentiaalin, joka muuttaa viereisen kalvon läpäisevyyttä aiheuttaen sinne toimintapotentiaalin. Tämä puolestaan vaikuttaa kalvoon alempana niin, että toimintapotentiaali liikkuu hitaasti (sähköisessä mielessä) solukalvoa pitkin. Vaikka impulssi johtuu siitä, että na+ ja K+ menevät kalvon yli, se vastaa kalvon ulko-ja sisäpuolella liikkuvaa varauksen aaltoa.

joissakin aksoneissa, kuten kuvassa 1, on myeliini, joka koostuu rasvaa sisältävistä soluista. Kuvassa 5 on laajentunut kuva aksonista, jonka myeliinitupet on tyypillisesti erotettu toisistaan myeliinittömillä raoilla (joita kutsutaan ranvierin solmuiksi). Tämä järjestely antaa aksonille useita mielenkiintoisia ominaisuuksia. Koska myeliini on eriste, se estää signaaleja hyppäämästä vierekkäisten hermojen välillä (ristipuhe). Lisäksi myelinoituneet alueet lähettävät sähkösignaaleja hyvin suurella nopeudella, kuten tavallinen johdin tai vastus. Myelinoituneilla alueilla ei ole vaikutuspotentiaalia, joten niissä ei käytetä soluenergiaa. Myeliinissä on IR-signaalihäviö, mutta signaali uusiutuu raoissa, joissa jännitepulssi laukaisee toimintapotentiaalin täydellä jännitteellä. Myelinisoitunut aksoni lähettää siis hermoimpulssin nopeammin, vähemmällä energiankulutuksella ja on paremmin suojassa ristipuheelta kuin myelinisoimaton aksoni. Kaikki aksonit eivät myelinoidu, joten ristipuhe ja hidas signaalinvälitys ovat Ominaisuus näiden aksonien normaalille toiminnalle, toinen hermoston muuttuja.

hermosäikeitä ympäröivien myeliinipäällysteiden rappeutuminen tai tuhoutuminen heikentää signaalinvälitystä ja voi johtaa lukuisiin neurologisiin vaikutuksiin. Yksi merkittävimmistä näistä sairauksista on peräisin elimistön omasta immuunijärjestelmästä, joka hyökkää keskushermoston myeliiniin-MS-tautiin. MS-taudin oireita ovat väsymys, näköongelmat, käsien ja jalkojen heikkous, tasapainon menetys sekä raajojen pistely tai tunnottomuus (neuropatia). Se iskee herkemmin nuorempiin aikuisiin, erityisesti naaraisiin. Syyt voivat johtua infektiosta, ympäristö-tai maantieteellisistä vaikutuksista tai genetiikasta. Tällä hetkellä MS-tautiin ei tunneta parannuskeinoa.

useimmat eläinsolut voivat laukaista tai luoda oman toimintakykynsä. Lihassolut supistuvat lauetessaan, ja hermoimpulssi saa ne usein tekemään niin. Hermo-ja lihassolut ovat fysiologisesti samanlaisia, ja esimerkiksi sydämessä on jopa hybridisoluja, joilla on sekä hermojen että lihasten ominaisuuksia. Jotkin eläimet, kuten surullisen kuuluisa sähköankerias (KS.kuva 6), käyttävät lihaksia, jotka ovat ryhmittyneet niin, että niiden Jännitteet lisääntyvät, jotta saalista tainnuttaisi tarpeeksi suuri isku.

kuva 5. Hermoimpulssin leviäminen myelinoitunutta aksonia pitkin vasemmalta oikealle. Signaali kulkee hyvin nopeasti ja ilman energiansyöttöä myelinoituneilla alueilla, mutta se menettää jännitteen. Se uusiutuu raoissa. Signaali liikkuu nopeammin kuin soittamattomissa aksoneissa ja on eristetty muiden hermojen signaaleista rajoittaen ristipuhetta.

kuva 6. Sähköankerias kiristää lihaksiaan luodakseen jännitteen, joka tainnuttaa saaliin. (luotto: chrisbb, Flickr)