Zenuwgeleiding-elektrocardiogrammen / fysica

elektrische stromen in het enorm complexe systeem van miljarden zenuwen in ons lichaam stellen ons in staat om de wereld te voelen, delen van ons lichaam te controleren en te denken. Deze zijn representatief voor de drie belangrijkste functies van zenuwen. Ten eerste dragen zenuwen boodschappen van onze zintuiglijke organen en anderen naar het centrale zenuwstelsel, bestaande uit de hersenen en het ruggenmerg. Ten tweede dragen zenuwen boodschappen van het centrale zenuwstelsel naar spieren en andere organen. Ten derde, zenuwen zenden en verwerken signalen binnen het centrale zenuwstelsel. Het enorme aantal zenuwcellen en het ongelooflijk grotere aantal verbindingen tussen hen maakt dit systeem het subtiele wonder dat het is. Zenuwgeleiding is een algemene term voor elektrische signalen die door zenuwcellen worden gedragen. Het is een aspect van bio-elektriciteit, of elektrische effecten in en gecreëerd door biologische systemen. Zenuwcellen, goed neuronen genoemd, zien er anders uit dan andere cellen—ze hebben ranken, sommige vele centimeters lang, die ze verbinden met andere cellen. (Zie Figuur 1.) Signalen komen aan bij het cellichaam via synapsen of via dendrieten, waardoor het neuron wordt gestimuleerd om zijn eigen signaal te genereren, dat via zijn lange axon naar andere zenuw-of spiercellen wordt gestuurd. Signalen kunnen van vele andere locaties komen en naar weer anderen worden verzonden, waardoor de synapsen door gebruik worden geconditioneerd, waardoor het systeem zijn complexiteit en zijn vermogen om te leren krijgt.

de figuur beschrijft een neuron. Het neuron heeft een cellichaam met een kern in het centrum vertegenwoordigd door een cirkel. Het cellichaam is omgeven door vele dunne, vertakte projecties genaamd dendrieten, vertegenwoordigd door lint-achtige structuren. De uiteinden van sommige van deze dendrieten zijn verbonden met de uiteinden van dendrieten van een ander neuron op kruispunten genaamd synapsen. Het cellichaam van het neuron heeft ook een lange projectie genoemd een axon, vertegenwoordigd als verticale buis die naar beneden en eindigend met dunne projecties binnen een spiervezel, vertegenwoordigd door een buisvormige structuur. De uiteinden van het axon worden zenuwuiteinden genoemd. Het axon is bedekt met myeline omhulsels, die elk een millimeter lang zijn. De myeline scheden worden gescheiden door hiaten, genaamd knooppunten van Ranvier, elk van de lengte nulpunt nul nul een millimeter.

figuur 1. Een neuron met zijn dendrieten en lange axon. Signalen in de vorm van elektrische stromen bereiken het cellichaam via dendrieten en over synapsen, het stimuleren van het neuron om zijn eigen signaal uitgezonden naar het axon genereren. Het aantal interconnecties kan veel groter zijn dan hier weergegeven.

de methode waarmee deze elektrische stromen worden gegenereerd en overgedragen is complexer dan de eenvoudige beweging van vrije ladingen in een geleider, maar het kan worden begrepen met principes die reeds in deze tekst worden besproken. De belangrijkste hiervan zijn de Coulomb-kracht en diffusie. Figuur 2 illustreert hoe een spanning (potentieel verschil) wordt gecreëerd over het celmembraan van een neuron in zijn rusttoestand. Dit dunne membraan scheidt elektrisch neutrale vloeistoffen met verschillende concentraties van ionen, de belangrijkste variëteiten zijn Na+, K+ en Cl – (dit zijn natrium -, kalium-en chloorionen met enkele plus of minus ladingen zoals aangegeven). Zoals besproken in Moleculaire Transportfenomenen: diffusie, osmose en verwante processen, zullen vrije ionen diffunderen van een gebied met hoge concentratie naar een gebied met lage concentratie. Maar het celmembraan is semipermeable, wat betekent dat sommige ionen het kunnen kruisen terwijl anderen dat niet kunnen. In zijn rusttoestand, is het celmembraan permeabel aan K+ en Cl -, en ondoordringbaar aan Na+. De verspreiding van K + en Cl– leidt zo tot de lagen van positieve en negatieve last aan de buitenkant en binnenkant van het membraan. De Coulomb-kracht voorkomt dat de ionen zich in hun geheel verspreiden. Zodra de ladingslaag is opgebouwd, voorkomt de afstoting van soortgelijke ladingen dat er meer over bewegen, en de aantrekking van in tegenstelling tot ladingen voorkomt dat er meer van beide kanten vertrekken. Het resultaat is twee ladingslagen op het membraan, waarbij de diffusie wordt gecompenseerd door de Coulomb-kracht. Een kleine fractie van de ladingen bewegen over en de vloeistoffen blijven neutraal (andere ionen zijn aanwezig), terwijl een scheiding van lading en een voltage zijn gecreëerd over het membraan.

het semipermeable membraan van een cel wordt getoond, met verschillende concentraties van kaliumkationen, natriumkationen, en chloride anionen binnen en buiten de cel. De ionen worden vertegenwoordigd door kleine, gekleurde cirkels. In rusttoestand is het celmembraan doorlaatbaar voor kalium-en chloride-ionen, maar het is ondoordringbaar voor natriumionen. Door diffusie, reizen de kaliumkationen uit de cel, die door het celmembraan gaan en een laag van positieve last op het buitenoppervlak van het membraan vormen. Door diffusie, gaan de chlorideanionen in de cel, die door het celmembraan gaan en een laag van negatieve lading op het binnenoppervlak van het membraan vormen. Dientengevolge, wordt een voltage opgezet over het celmembraan. De Coulomb-kracht voorkomt dat alle ionen het membraan kruisen.

Figuur 2. Het semipermeable membraan van een cel heeft verschillende concentraties van ionen binnen en buiten. Diffusie beweegt de K+ en Cl– ionen in de aangegeven richting, totdat de Coulomb-kracht verdere overdracht stopt. Dit resulteert in een laag van positieve Last aan de buitenkant, een laag van negatieve last aan de binnenkant, en dus een voltage over het celmembraan. Het membraan is normaal ondoordringbaar voor Na+.

dit is een grafische weergave van een puls van spanning, of actiepotentiaal, in een zenuwcel. De spanning in millivolts wordt uitgezet langs de verticale as en de tijd in milliseconden wordt uitgezet langs de horizontale as. Aanvankelijk, tussen nul en ongeveer twee komma acht milliseconden, is de spanning een constante op ongeveer min negentig millivolts, overeenkomend met de rusttoestand. Boven deze sectie van de grafiek, toont een venster een kleine dwarsdoorsnede van het celmembraan, met een positief geladen buitenoppervlak, een negatief geladen binnenoppervlak, en geen ionen die over het membraan bewegen. Tussen twee punt acht en vier punt twee milliseconden neemt de spanning toe tot een piek van vijftig millivolts, wat overeenkomt met depolarisatie van het membraan. Een venster boven deze sectie toont natriumkationen die het membraan kruisen, van buiten naar binnen de cel, zodat het binnenoppervlak van het membraan een positieve lading verwerft en het buitenoppervlak een negatieve lading heeft. Tussen ongeveer vier komma twee en ongeveer vijf komma vijf milliseconden, daalt de spanning tot een dieptepunt van ongeveer minus honderd en tien millivolts, wat overeenkomt met repolarisatie van het membraan. Een venster boven deze sectie laat kaliumkationen zien die het membraan kruisen, van binnen naar buiten de cel, zodat het buitenoppervlak van het membraan opnieuw een positieve lading krijgt en het binnenoppervlak een negatieve lading. Daarna stijgt de spanning licht, teruggaand naar een constante van ongeveer min negentig millivolts, overeenkomend met de rusttoestand. Deze beweging van natrium-en kaliumionen over het membraan wordt actief transport genoemd, en actief transport op lange termijn wordt getoond in een venster boven het laatste deel van de kromme.

Figuur 3. Een actiepotentiaal is de puls van spanning in een zenuwcel die hier is afgebeeld. Het wordt veroorzaakt door bewegingen van ionen over het celmembraan zoals getoond. Depolarisatie treedt op wanneer een stimulus het membraan doordringbaar maakt aan Na + – ionen. Repolarisatie volgt als het membraan opnieuw ondoordringbaar aan Na+ wordt, en K + beweegt van hoge aan lage concentratie. Op lange termijn handhaaft actief transport de concentratieverschillen langzaam, maar de cel kan honderden keren snel achter elkaar vuren zonder ze ernstig uit te putten.

de scheiding van last leidt tot een potentieel verschil van 70 tot 90 mV over het celmembraan. Hoewel dit een kleine spanning is, is het resulterende elektrische veld (E = V/d) over het enige 8 nm Dikke membraan immens (in de Orde van 11 MV / m!) en heeft fundamentele effecten op de structuur en permeabiliteit. Nu, als de buitenkant van een neuron wordt genomen om op 0 V te zijn, dan heeft het interieur een rustpotentieel van ongeveer -90 mV. Dergelijke spanningen worden gecreëerd over de membranen van bijna alle soorten dierlijke cellen, maar zijn het grootst in zenuw-en spiercellen. In feite gaat volledig 25% van de energie die door cellen wordt gebruikt naar het creëren en onderhouden van dit potentieel.

elektrische stromen langs het celmembraan worden gecreëerd door elke prikkel die de permeabiliteit van het membraan verandert. Het membraan wordt dus tijdelijk doorlaatbaar voor Na+, die dan naar binnen snelt, gedreven zowel door diffusie als de Coulomb-kracht. Deze toevloed van Na+ neutraliseert eerst het binnenmembraan, of depolariseert het, en dan maakt het lichtjes positief. Depolarisatie veroorzaakt het membraan opnieuw ondoordringbaar aan Na+, en de beweging van K + keert snel de cel aan zijn het rusten potentieel terug, of repolariseert het. Deze opeenvolging van gebeurtenissen resulteert in een spanningspuls, het actiepotentiaal genoemd. (Zie Figuur 3.) Slechts kleine fracties van de ionen bewegen, zodat de cel vele honderden keren kan vuren zonder de overtollige concentraties van Na+ en K+uit te putten. Uiteindelijk moet de cel deze ionen aanvullen om de concentratieverschillen te handhaven die tot bio-elektriciteit leiden. Deze natrium-kaliumpomp is een voorbeeld van actief transport, waarbij celenergie wordt gebruikt om ionen over membranen te bewegen tegen diffusiegradiënten en de Coulomb-kracht.

de actiepotentiaal is een spanningspuls op één plaats op een celmembraan. Hoe wordt het overgedragen langs het celmembraan, en in het bijzonder langs een axon, als een zenuwimpuls? Het antwoord is dat de veranderende spanning en elektrische velden de permeabiliteit van het aangrenzende celmembraan beïnvloeden, zodat hetzelfde proces daar plaatsvindt. Het aangrenzende membraan depolariseert, waardoor het membraan verder naar beneden, en ga zo maar door, zoals geïllustreerd in Figuur 4. Het op één plaats gestimuleerde actiepotentieel veroorzaakt dus een zenuwimpuls die langzaam (ongeveer 1 m/s) langs het celmembraan beweegt.

de figuur beschrijft de voortplanting van een actiepotentieel, of spanningspuls, langs een celmembraan. Het celmembraan, vertegenwoordigd door een horizontale, blauwe strook, wordt getoond in vijf fasen, met het elektrische signaal beweegt langs zijn lengte van links naar rechts. Aanvankelijk bevindt het membraan zich in de rusttoestand, met een uniforme verdeling van positieve ladingen langs het buitenoppervlak en negatieve ladingen langs het binnenoppervlak. Een natriumkation wordt getoond buiten de cel, en een kaliumkation wordt getoond binnen de cel. Een klein deel van het membraan aan de linkerkant krijgt een stimulus, waardoor dat deel doordringbaar is voor natriumionen. In de tweede fase passeren natriumionen het membraan in dat gebied, vertegenwoordigd door een witte opening in het membraan. De ladingsdistributie in die sectie van het membraan wordt omgekeerd; dit proces wordt genoemd depolarisatie. Tegelijkertijd wordt een aangrenzend deel van het membraan gestimuleerd. In het derde stadium, ondergaat het gedepolariseerde gebied repolarisatie, met kaliumionen die het membraan van binnen aan buiten de cel kruisen. Repolarisatie wordt vertegenwoordigd door een doos met kleine driehoeken. Tegelijkertijd gaan natriumionen de cel binnen via het aangrenzende gebied dat in het tweede stadium werd gestimuleerd. Als de cyclus wordt herhaald, beweegt het elektrische signaal langs het membraan, van links naar rechts.

Figuur 4. Een zenuwimpuls is de voortplanting van een actiepotentieel langs een celmembraan. Een stimulus veroorzaakt een actiepotentiaal op één plaats, die de permeabiliteit van het aangrenzende membraan verandert, veroorzakend een actiepotentiaal daar. Dit beïnvloedt op zijn beurt het membraan verder naar beneden, zodat de actiepotentiaal zich langzaam (in elektrische termen) langs het celmembraan beweegt. Hoewel de impuls toe te schrijven is aan Na+ en K+ die over het membraan gaan, is het gelijkwaardig aan een golf van last die zich langs de buitenkant en de binnenkant van het membraan bewegen.

sommige axonen, zoals die in Figuur 1, zijn omhuld met myeline, bestaande uit vet bevattende cellen. Figuur 5 toont een vergrote weergave van een axon met myelinescheden die kenmerkend gescheiden zijn door ongemyelineerde gaten (knooppunten van Ranvier genoemd). Deze opstelling geeft het axon een aantal interessante eigenschappen. Aangezien myeline een isolator is, voorkomt het dat signalen tussen aangrenzende zenuwen springen (cross talk). Bovendien zenden de gemyelineerde gebieden elektrische signalen uit met een zeer hoge snelheid, zoals een gewone geleider of weerstand zou doen. Er is geen actiepotentiaal in de myelinated gebieden, zodat er geen celenergie in hen wordt gebruikt. Er is een IR-signaalverlies in de myeline, maar het signaal wordt geregenereerd in de gaten, waar de spanningspuls het actiepotentieel bij volspanning activeert. Dus een myelinated axon geeft een zenuwimpuls sneller door, met minder energieverbruik, en is beter beschermd tegen cross talk dan een ongemyelineerde. Niet alle axonen zijn myelinated, zodat cross talk en langzame signaaloverdracht een kenmerk zijn van de normale werking van deze axonen, een andere variabele in het zenuwstelsel.

de degeneratie of vernietiging van de myeline-omhulsels rond de zenuwvezels tast de signaaloverdracht aan en kan leiden tot talrijke neurologische effecten. Een van de meest prominente van deze ziekten komt uit het eigen immuunsysteem van het lichaam aanvallen van de myeline in het centrale zenuwstelsel—multiple sclerose. MS symptomen omvatten vermoeidheid, problemen met het gezichtsvermogen, zwakte van armen en benen, verlies van evenwicht, en tintelingen of gevoelloosheid in iemands ledematen (neuropathie). Het is meer geschikt om jongere volwassenen te slaan, vooral vrouwen. Oorzaken kunnen afkomstig zijn van infectie, milieu-of geografische invloeden, of genetica. Op dit moment is er geen bekende remedie voor MS.

de meeste dierlijke cellen kunnen vuur maken of hun eigen actiepotentieel creëren. Spiercellen samentrekken wanneer ze vuren en worden vaak aangezet om dit te doen door een zenuwimpuls. In feite, zenuw en spiercellen zijn fysiologisch vergelijkbaar, en er zijn zelfs hybride cellen, zoals in het hart, die kenmerken van zowel zenuwen en spieren hebben. Sommige dieren, zoals de beruchte elektrische paling (zie Figuur 6), gebruiken spier ganged zodat hun spanningen toe te voegen om een schok groot genoeg om prooi te verdoven creëren.

de figuur beschrijft de voortplanting van een zenuwimpuls, of spanningspuls, naar beneden een myelinated axon, van links naar rechts. Een dwarsdoorsnede van het axon wordt weergegeven als een lange, horizontaal georiënteerde rechthoekige strook, met aan elke zijde een membraan. Het axon is bedekt met myeline scheden gescheiden door hiaten bekend als knooppunten van Ranvier. Er worden drie hiaten getoond. Het grootste deel van het binnenoppervlak van het membraan is negatief geladen, en het buitenoppervlak is positief geladen. Het hiaat aan de linkerkant wordt geëtiketteerd zoals depolarized, waar de ladingsdistributie langs de membraanoppervlakte wordt omgekeerd. Als de spanningspuls van links naar rechts beweegt door het eerste gemyelineerde gebied, verliest het spanning. De opening in het midden, gelabeld als depolariserend, toont natriumkationen die het membraan van buiten naar binnen van het axon kruisen. Dit regenereert de spanningspuls, die blijft bewegen langs het axon. De derde kloof is gelabeld als nog gepolariseerd, omdat het signaal die kloof nog moet bereiken.

Figuur 5. Voortplanting van een zenuwimpuls naar beneden een myelinated axon, van links naar rechts. Het signaal reist zeer snel en zonder energie-input in de myelinated regio ‘ s, maar het verliest spanning. Het wordt geregenereerd in de gaten. Het signaal beweegt sneller dan in ongemyelineerde axonen en is geïsoleerd van signalen in andere zenuwen, waardoor cross talk wordt beperkt.

Figuur 6. Een elektrische paling buigt zijn spieren om een spanning te creëren die de prooi verdooft. (met dank aan: chrisbb, Flickr)

fysica

Published by admin

Geef een antwoord Antwoord annuleren