fizika

az elektromos áramok a testünk milliárdjainak rendkívül összetett rendszerében lehetővé teszik számunkra, hogy érzékeljük a világot, irányítsuk testünk egyes részeit, és gondolkodjunk. Ezek reprezentatívak az idegek három fő funkciójára. Először is, az idegek továbbítják az érzékszerveinkből és másokból származó üzeneteket a központi idegrendszerbe, amely az agyból és a gerincvelőből áll. Másodszor, az idegek üzeneteket továbbítanak a központi idegrendszerből az izmokba és más szervekbe. Harmadszor, az idegek továbbítják és feldolgozzák a jeleket a központi idegrendszeren belül. Az idegsejtek puszta száma és a köztük lévő hihetetlenül nagyobb számú kapcsolat teszi ezt a rendszert a finom csoda, hogy ez az. Az idegvezetés az idegsejtek által hordozott elektromos jelek általános kifejezése. Ez a bioelektromosság egyik aspektusa, vagy a biológiai rendszerek által létrehozott elektromos hatások. Az idegsejtek, amelyeket megfelelően neuronoknak neveznek, különböznek a többi sejttől—indákkal rendelkeznek, amelyek közül néhány sok centiméter hosszú, összekapcsolva őket más sejtekkel. (Lásd Az 1. Ábrát.) A jelek szinapszisokon vagy dendriteken keresztül érkeznek a sejttestbe, stimulálva az idegsejtet, hogy saját jelet generáljon, amelyet hosszú axonja mentén más ideg-vagy izomsejtekbe küld. A jelek sok más helyről érkezhetnek, és továbbíthatók másoknak, kondicionálva a szinapszisokat a használat során, megadva a rendszer összetettségét és tanulási képességét.

1.ábra. Egy neuron a dendritjeivel és a hosszú axonjával. Az elektromos áram formájában megjelenő jelek a dendriteken és a szinapszisokon keresztül jutnak el a sejttesthez, stimulálva az idegsejtet, hogy saját jelet generáljon az axonon keresztül. Az összekapcsolások száma sokkal nagyobb lehet, mint itt látható.

az a módszer, amellyel ezeket az elektromos áramokat generálják és továbbítják, összetettebb, mint a szabad töltések egyszerű mozgatása egy vezetőben, de megérthető az ebben a szövegben már tárgyalt elvekkel. Ezek közül a legfontosabb a Coulomb-erő és a diffúzió. A 2. ábra szemlélteti, hogyan jön létre feszültség (potenciálkülönbség) az idegsejt sejtmembránján nyugalmi állapotában. Ez a vékony membrán választja el az elektromosan semleges folyadékokat, amelyek különböző koncentrációjú ionokat tartalmaznak, a legfontosabb fajták a Na+, K+ és Cl– (ezek nátrium -, kálium-és klórionok, amelyek egyetlen plusz vagy mínusz töltéssel rendelkeznek, amint azt jeleztük). Amint azt a molekuláris transzport jelenségek: diffúzió, Ozmózisés a kapcsolódó folyamatok, a szabad ionok a magas koncentrációjú régióból az alacsony koncentrációjú régióba diffundálnak. De a sejtmembrán féligáteresztő, ami azt jelenti, hogy egyes ionok átjuthatnak rajta,míg mások nem. Nyugalmi állapotában a sejtmembrán k+ és Cl–, Na+ – ra át nem eresztő. A K+ és Cl diffúziója-így pozitív és negatív töltésű rétegeket hoz létre a membrán külső és belső részén. A Coulomb-erő megakadályozza az ionok teljes diffúzióját. Miután a töltőréteg felépült, a hasonló töltések taszítása megakadályozza, hogy több mozogjon, az ellentétes töltések vonzereje pedig megakadályozza, hogy több elhagyja mindkét oldalt. Az eredmény két töltésréteg közvetlenül a membránon, a diffúziót a Coulomb erő kiegyensúlyozza. A töltések egy kis része áthalad, és a folyadékok semlegesek maradnak (más ionok vannak jelen), miközben a töltés és a feszültség elválasztódik a membránon.

2.ábra. A sejt féligáteresztő membránja különböző koncentrációjú ionokat tartalmaz kívül-belül. A diffúzió a K+ és Cl– ionokat a bemutatott irányba mozgatja, amíg a Coulomb-erő meg nem állítja a további átvitelt. Ez egy pozitív töltésű réteget eredményez kívülről, egy negatív töltésű réteget belülről, így feszültséget a sejtmembránon. A membrán általában át nem eresztő Na+.

3.ábra. Az akciós potenciál az itt ábrázolt idegsejt belsejében lévő feszültség impulzusa. Ezt az ionok mozgása okozza a sejtmembránon, amint az látható. A depolarizáció akkor következik be, amikor egy inger áteresztővé teszi a membránt Na+ ionok számára. A repolarizáció következik, amikor a membrán ismét Na + – ra áthatolhatatlanná válik, a K+ pedig a magasról az alacsony koncentrációra mozog. Hosszú távon az aktív transzport lassan fenntartja a koncentrációkülönbségeket, de a sejt gyors egymásutánban több százszor lőhet anélkül, hogy komolyan kimerítené őket.

a töltés elválasztása 70-90 mV potenciálkülönbséget hoz létre a sejtmembránon. Bár ez egy kis feszültség, a keletkező elektromos mező (E = V/d) az egyetlen 8 nm vastag membránon hatalmas (11 MV/m nagyságrendű!) és alapvető hatással van a szerkezetére és áteresztőképességére. Most, ha egy idegsejt külsejét 0 V-ra vesszük, akkor a belső tér nyugalmi potenciálja körülbelül -90 mV. Az ilyen feszültségek szinte minden állati sejt membránján létrejönnek, de a legnagyobbak az ideg-és izomsejtekben. Valójában a sejtek által felhasznált energia 25% – A ezeknek a lehetőségeknek a létrehozására és fenntartására irányul.

a sejtmembrán mentén az elektromos áramokat bármilyen inger hozza létre, amely megváltoztatja a membrán permeabilitását. A membrán így átmenetileg áteresztővé válik a Na számára+, amely aztán berohan, mind a diffúzió, mind a Coulomb erő hajtja. Ez a Na + bejutása először semlegesíti a belső membránt, vagy depolarizálja, majd kissé pozitívvá teszi. A depolarizáció hatására a membrán ismét áthatolhatatlanná válik a Na+ számára, a K + mozgása pedig gyorsan visszaállítja a sejt nyugalmi potenciálját, vagy repolarizálja. Ez az eseménysorozat feszültségimpulzust eredményez, az úgynevezett akciós potenciál. (Lásd A 3. Ábrát. Az ionoknak csak kis frakciói mozognak, így a sejt több százszor képes tüzelni anélkül, hogy kimerítené a Na+ és K+felesleges koncentrációját. Végül a sejtnek fel kell töltenie ezeket az ionokat, hogy fenntartsa a bioelektromosságot létrehozó koncentrációs különbségeket. Ez a nátrium-kálium szivattyú egy példa az aktív transzportra, ahol a sejtenergiát arra használják, hogy az ionokat a membránokon keresztül mozgatják a diffúziós gradiensek és a Coulomb-erő ellen.

az akciós potenciál egy feszültségimpulzus a sejtmembrán egyik helyén. Hogyan terjed a sejtmembrán mentén, különösen egy axonon keresztül, idegimpulzusként? A válasz az, hogy a változó feszültség és az elektromos mezők befolyásolják a szomszédos sejtmembrán permeabilitását, így ugyanaz a folyamat zajlik ott. A szomszédos membrán depolarizálódik, a membránt lefelé befolyásolva stb., Amint azt a 4. ábra szemlélteti. Így az egy helyen stimulált akciós potenciál idegimpulzust vált ki, amely lassan (körülbelül 1 m/s) mozog a sejtmembrán mentén.

4.ábra. Az idegimpulzus az akciós potenciál terjedése a sejtmembrán mentén. Az inger akciós potenciált okoz egy helyen, amely megváltoztatja a szomszédos membrán permeabilitását, ott akciós potenciált okozva. Ez viszont a membránt lefelé befolyásolja, így az akciós potenciál lassan (elektromos értelemben) mozog a sejtmembrán mentén. Bár az impulzus annak köszönhető, hogy Na+ és K + megy át a membránon, egyenértékű a töltés hullámával, amely a membrán külső és belső részén mozog.

néhány Axon, mint az 1. ábrán, mielinnel van bevonva, amely zsírtartalmú sejtekből áll. Az 5. ábra egy axon nagyított nézetét mutatja, amelynek mielinhüvelyei jellegzetesen el vannak választva nem myelinizált résekkel (úgynevezett Ranvier csomópontok). Ez az elrendezés számos érdekes tulajdonságot ad az axonnak. Mivel a mielin szigetelő, megakadályozza a jelek ugrását a szomszédos idegek között (keresztbeszélés). Ezenkívül a mielinizált régiók nagyon nagy sebességgel továbbítják az elektromos jeleket, mint egy közönséges vezető vagy ellenállás. A mielinizált régiókban nincs akciós potenciál, így bennük nem használnak sejtenergiát. IR jelveszteség van a mielinben, de a jel regenerálódik a résekben, ahol a feszültségimpulzus teljes feszültségen kiváltja az akciós potenciált. Tehát a mielinizált axon gyorsabban, kevesebb energiafogyasztással továbbítja az idegimpulzust, és jobban védve van a keresztbeszéléstől, mint a nem mielinizált. Nem minden Axon myelinizált, így a keresztbeszélés és a lassú jelátvitel ezen axonok normális működésének jellemzője, amely egy másik változó az idegrendszerben.

az idegrostokat körülvevő mielinhüvelyek degenerációja vagy pusztulása rontja a jelátvitelt, és számos neurológiai hatáshoz vezethet. Ezen betegségek közül az egyik legkiemelkedőbb a szervezet saját immunrendszeréből származik, amely megtámadja a központi idegrendszer mielinjét—a sclerosis multiplexet. Az SM tünetei közé tartozik a fáradtság, látási problémák, a karok és a lábak gyengesége, az egyensúly elvesztése, valamint a végtagok bizsergése vagy zsibbadása (neuropathia). Alkalmasabb a fiatalabb felnőttek, különösen a nők sztrájkolására. Az okok fertőzésből származhatnak, környezeti vagy földrajzi hatások, vagy genetika. Jelenleg nincs ismert gyógymód az MS-re.

a legtöbb állati sejt képes tüzelni vagy létrehozni saját akciós potenciálját. Az izomsejtek összehúzódnak, amikor tüzelnek, és gyakran idegimpulzus indukálja őket. Valójában az ideg-és izomsejtek fiziológiailag hasonlóak, és vannak olyan hibrid sejtek is, mint például a szívben, amelyek mind az idegek, mind az izmok jellemzőivel rendelkeznek. Egyes állatok, mint például a hírhedt elektromos angolna (lásd a 6.ábrát), olyan izmokat használnak, amelyek feszültsége növeli annak érdekében, hogy elég nagy sokkot hozzanak létre a zsákmány elkábításához.

5.ábra. Egy idegimpulzus terjedése egy mielinizált axonon keresztül, balról jobbra. A jel nagyon gyorsan és energiabevitel nélkül halad a mielinizált régiókban, de elveszíti a feszültséget. A résekben regenerálódik. A jel gyorsabban mozog, mint a nem myelinizált axonokban, és el van szigetelve más idegek jeleitől, korlátozva a keresztbeszélést.

6.ábra. Az elektromos angolna meghajlítja izmait, hogy olyan feszültséget hozzon létre, amely elkábítja a zsákmányt. (forrás: chrisbb, Flickr)