Fysikk

Elektriske strømmer i det svært komplekse systemet med milliarder av nerver i kroppen vår tillater oss å fornemme verden, kontrollere deler av kroppen vår og tenke. Disse er representative for de tre hovedfunksjonene til nerver. For det første bærer nerver meldinger fra våre sensoriske organer og andre til sentralnervesystemet, som består av hjernen og ryggmargen. For det andre bærer nerver meldinger fra sentralnervesystemet til muskler og andre organer. For det tredje overfører nerver og behandler signaler i sentralnervesystemet. Det store antallet nerveceller og det utrolig større antallet forbindelser mellom dem gjør dette systemet til det subtile rart at det er. Nervedannelse er en generell betegnelse for elektriske signaler som bæres av nerveceller. Det er et aspekt av bioelektrisitet, eller elektriske effekter i og skapt av biologiske systemer. Nerveceller, riktig kalt nevroner, ser annerledes ut enn andre celler-de har tendrils, noen av dem mange centimeter lange, forbinder dem med andre celler. (Se Figur 1. Signaler ankommer cellekroppen over synapser eller gjennom dendriter, stimulerer nevronet til å generere sitt eget signal, sendt langs sin lange axon til andre nerve – eller muskelceller. Signaler kan komme fra mange andre steder og overføres til enda andre, kondisjonere synapsene ved bruk, noe som gir systemet sin kompleksitet og evne til å lære.

Figur 1. En nevron med dendriter og lang axon. Signaler i form av elektriske strømmer når cellekroppen gjennom dendriter og over synapser, og stimulerer nevronen til å generere sitt eget signal sendt ned axonen. Antall sammenkoblinger kan være langt større enn vist her.

metoden som disse elektriske strømmene genereres og overføres til, er mer kompleks enn den enkle bevegelsen av gratis ladninger i en leder, men den kan forstås med prinsipper som allerede er diskutert i denne teksten. Den viktigste Av Disse er coulomb kraft og diffusjon. Figur 2 illustrerer hvordan en spenning (potensiell forskjell) opprettes over cellemembranen til en nevron i hvilemodus. Denne tynne membranen separerer elektrisk nøytrale væsker med forskjellige konsentrasjoner av ioner, de viktigste variantene Er Na+, K + Og Cl – (disse er natrium -, kalium-og klorioner med enkelt pluss eller minus ladninger som angitt). Som diskutert I Molekylære Transportfenomener: Diffusjon, Osmose Og Relaterte Prosesser, vil frie ioner diffundere fra en region med høy konsentrasjon til en med lav konsentrasjon. Men cellemembranen er semipermeabel, noe som betyr at noen ioner kan krysse den mens andre ikke kan. I hviletilstand er cellemembranen gjennomtrengelig For K + Og Cl– og ugjennomtrengelig For Na+. Diffusjon Av K + Og Cl-skaper dermed lagene av positiv og negativ ladning på utsiden og innsiden av membranen. Coulomb-kraften forhindrer ionene i å spre seg over i sin helhet. Når ladelaget har bygget seg opp, hindrer avstøtingen av lignende ladninger mer fra å bevege seg over, og tiltrengningen av ulikt ladninger forhindrer mer fra å forlate hver side. Resultatet er to lag med ladning rett på membranen, med diffusjon balansert Av Coulomb-kraften. En liten brøkdel av ladningene beveger seg over og væskene forblir nøytrale (andre ioner er tilstede), mens en separasjon av ladning og spenning er opprettet over membranen.

Figur 2. Den semipermeable membranen til en celle har forskjellige konsentrasjoner av ioner innvendig og utvendig. Diffusjon beveger K+ og Cl– ionene i den retningen som vises, til Coulomb-kraften stopper videre overføring. Dette resulterer i et lag med positiv ladning på utsiden, et lag med negativ ladning på innsiden, og dermed en spenning over cellemembranen. Membranen er normalt ugjennomtrengelig For Na+.

Figur 3. Et handlingspotensial er spenningspulsen inne i en nervecelle som er tegnet her. Det er forårsaket av bevegelser av ioner over cellemembranen som vist. Depolarisering oppstår når en stimulus gjør membranen gjennomtrengelig For Na+ – ioner. Repolarisering følger da membranen igjen blir ugjennomtrengelig For Na+, Og K + beveger seg fra høy til lav konsentrasjon. På lang sikt opprettholder aktiv transport sakte konsentrasjonsforskjellene, men cellen kan brenne hundrevis av ganger i rask rekkefølge uten å tømme dem alvorlig.

separasjonen av ladning skaper en potensiell forskjell på 70 til 90 mV over cellemembranen. Selv om dette er en liten spenning, er det resulterende elektriske feltet (E = V/d) over den eneste 8 nm tykke membranen enorm (i størrelsesorden 11 MV/m!) og har grunnleggende effekter på sin struktur og permeabilitet. Nå, hvis utsiden av en nevron er tatt for å være på 0 V, har interiøret et hvilepotensial på ca -90 mV. Slike spenninger oppstår over membranene i nesten alle typer dyreceller, men er størst i nerve – og muskelceller. Faktisk går hele 25% av energien som brukes av celler mot å skape og opprettholde disse potensialene.

Elektriske strømmer langs cellemembranen er skapt av enhver stimulans som endrer membranets permeabilitet. Membranen blir dermed midlertidig permeabel For Na+, som deretter rushes inn, drevet både av diffusjon og Coulomb-kraften. Denne inrush Av Na+ nøytraliserer Først den indre membranen, eller depolariserer den, og gjør den litt positiv. Depolariseringen fører til at membranen igjen blir ugjennomtrengelig For Na+, og bevegelsen Av K+ returnerer raskt cellen til hvilepotensialet, eller repolariserer den. Denne sekvensen av hendelser resulterer i en spenningspuls, kalt handlingspotensialet. (Se Figur 3.) Bare små fraksjoner av ionene beveger seg, slik at cellen kan brenne mange hundre ganger uten å tømme overskuddskonsentrasjonene Av Na + Og K+. Til slutt må cellen fylle opp disse ionene for å opprettholde konsentrasjonsforskjellene som skaper bioelektrisitet. Denne natrium-kaliumpumpen er et eksempel på aktiv transport, hvor celleenergi brukes til å bevege ioner over membraner mot diffusjonsgradienter og Coulomb-kraften.

handlingspotensialet er en spenningspuls på ett sted på en cellemembran. Hvordan blir det overført langs cellemembranen, og spesielt ned en axon, som en nerveimpuls? Svaret er at skiftende spenning og elektriske felt påvirker permeabiliteten til den tilstøtende cellemembranen, slik at den samme prosessen finner sted der. Den tilstøtende membranen depolariserer, påvirker membranen lenger ned, og så videre, som illustrert i Figur 4. Dermed utløser handlingspotensialet stimulert på ett sted en nerveimpuls som beveger seg sakte (ca. 1 m/s) langs cellemembranen.

Figur 4. En nerveimpuls er forplantningen av et handlingspotensial langs en cellemembran. En stimulus forårsaker et handlingspotensial på ett sted, som endrer permeabiliteten til den tilstøtende membranen, forårsaker et handlingspotensial der. Dette påvirker i sin tur membranen lenger ned, slik at aksjonspotensialet beveger seg sakte (i elektriske termer) langs cellemembranen. Selv om impulsen skyldes At Na+ og K+ går over membranen, svarer Den til en bølge av ladning som beveger seg langs utsiden og innsiden av membranen.

noen axoner, som I Figur 1, er kledd med myelin, bestående av fettholdige celler. Figur 5 viser et forstørret bilde av en axon som har myelinkapper karakteristisk adskilt av umyelinerte hull (kalt noder Av Ranvier). Dette arrangementet gir axonen en rekke interessante egenskaper. Siden myelin er en isolator, forhindrer det signaler fra å hoppe mellom tilstøtende nerver (kryss snakk). I tillegg overfører de myelinerte områdene elektriske signaler med svært høy hastighet, som en vanlig leder eller motstand ville. Det er ikke noe handlingspotensial i de myelinerte områdene, slik at ingen celleenergi brukes i dem. Det er ET IR-signaltap i myelinet, men signalet regenereres i hullene, hvor spenningspulsen utløser handlingspotensialet ved full spenning. Så en myelinert axon overfører en nerveimpuls raskere, med mindre energiforbruk, og er bedre beskyttet mot kryssprat enn en umyelinert. Ikke alle aksoner er myelinerte, slik at kryss snakk og langsom signaloverføring er en egenskap for normal drift av disse aksonene, en annen variabel i nervesystemet.

degenerasjonen eller ødeleggelsen av myelinskjedene som omgir nervefibrene, forringer signaloverføring og kan føre til mange nevrologiske effekter. En av de mest fremtredende av disse sykdommene kommer fra kroppens eget immunsystem som angriper myelin i sentralnervesystemet-multippel sklerose. MS symptomer inkluderer tretthet, synsproblemer, svakhet i armer og ben, tap av balanse, og prikking eller nummenhet i ens ekstremiteter (nevropati). Det er mer tilbøyelige til å slå yngre voksne, spesielt kvinner. Årsaker kan komme fra infeksjon, miljømessige eller geografiske påvirker, eller genetikk. For øyeblikket er det ingen kjent kur for MS.

de fleste dyreceller kan brann eller skape sitt eget handlingspotensial. Muskelceller kontrakt når de brann og er ofte indusert til å gjøre det av en nerveimpuls. Faktisk er nerve-og muskelceller fysiologisk like, og det er til og med hybridceller, som i hjertet, som har egenskaper av både nerver og muskler. Noen dyr, som den beryktede elektriske ålen (Se Figur 6), bruker muskler ganged slik at deres spenninger legger til for å skape et sjokk som er stort nok til å stunne byttedyr.

Figur 5. Forplantning av en nerveimpuls ned en myelinert axon, fra venstre til høyre. Signalet beveger seg veldig fort og uten energiinngang i de myelinerte områdene, men det mister spenningen. Det regenereres i hullene. Signalet beveger seg raskere enn i unmyelinated axons og er isolert fra signaler i andre nerver, begrensende kryss snakk.

Figur 6. En elektrisk ål bøyer musklene for å skape en spenning som støter på byttedyr. (kreditt: chrisbb, Flickr)