Fizyka
prądy elektryczne w bardzo złożonym systemie miliardów nerwów w naszym ciele pozwalają nam odczuwać świat, kontrolować części naszego ciała i myśleć. Są one reprezentatywne dla trzech głównych funkcji nerwów. Po pierwsze, nerwy przenoszą wiadomości z naszych narządów zmysłów i innych do ośrodkowego układu nerwowego, składającego się z mózgu i rdzenia kręgowego. Po drugie, nerwy przenoszą wiadomości z ośrodkowego układu nerwowego do mięśni i innych narządów. Po trzecie, nerwy przesyłają i przetwarzają sygnały w ośrodkowym układzie nerwowym. Sama liczba komórek nerwowych i niewiarygodnie większa liczba połączeń między nimi sprawia, że ten system jest subtelnym cudem. Przewodnictwo nerwowe jest ogólnym terminem dla sygnałów elektrycznych przenoszonych przez komórki nerwowe. Jest to jeden z aspektów bioelektryczności, czyli efektów elektrycznych w systemach biologicznych. Komórki nerwowe, właściwie zwane neuronami, wyglądają inaczej niż inne komórki-mają wąsy, niektóre z nich o długości wielu centymetrów, łącząc je z innymi komórkami. (Patrz Rysunek 1.) Sygnały docierają do ciała komórkowego poprzez synapsy lub dendryty, stymulując neuron do generowania własnego sygnału, wysyłanego wzdłuż długiego aksonu do innych komórek nerwowych lub mięśniowych. Sygnały mogą pochodzić z wielu innych miejsc i być przesyłane do jeszcze innych, warunkując synapsy za pomocą, nadając systemowi jego złożoność i zdolność uczenia się.
Rysunek 1. Neuron z dendrytami i długim aksonem. Sygnały w postaci prądów elektrycznych docierają do ciała komórki przez dendryty i przez synapsy, stymulując neuron do generowania własnego sygnału wysyłanego przez akson. Liczba połączeń może być znacznie większa niż pokazano tutaj.
metoda, za pomocą której te prądy elektryczne są generowane i przesyłane, jest bardziej złożona niż prosty ruch wolnych ładunków w przewodniku, ale można ją zrozumieć za pomocą zasad już omówionych w tym tekście. Najważniejsze z nich to siła kulomba i dyfuzja. Rysunek 2 ilustruje, jak powstaje napięcie (różnica potencjałów) w błonie komórkowej neuronu w stanie spoczynku. Ta cienka membrana oddziela elektrycznie neutralne płyny o różnych stężeniach jonów, z których najważniejsze to Na+, K+ i Cl – (są to jony sodu, potasu i chloru z pojedynczymi ładunkami plus lub minus, jak wskazano). Jak omówiono w zjawiskach transportu molekularnego: dyfuzji, osmozy i powiązanych procesach, wolne jony będą dyfundować z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niskim stężeniu. Ale błona komórkowa jest półprzepuszczalna, co oznacza, że niektóre jony mogą ją krzyżować, podczas gdy inne nie. W stanie spoczynku błona komórkowa jest przepuszczalna dla K+ i Cl-oraz nieprzepuszczalna dla Na+. Dyfuzja K+ i Cl-w ten sposób tworzy warstwy ładunku dodatniego i ujemnego na zewnątrz i wewnątrz membrany. Siła kulomba zapobiega dyfuzji jonów w całości. Po zbudowaniu warstwy ładunkowej odpychanie podobnych ładunków zapobiega przesuwaniu się większej liczby, a przyciąganie różnych ładunków zapobiega opuszczaniu każdej ze stron. Rezultatem są dwie warstwy ładunku bezpośrednio na membranie, przy czym dyfuzja jest równoważona przez siłę kulomba. Niewielka część ładunków przemieszcza się, a płyny pozostają neutralne (obecne są inne jony), podczas gdy w membranie powstaje separacja ładunku i napięcia.
Rysunek 2. Półprzepuszczalna błona komórki ma różne stężenia jonów wewnątrz i na zewnątrz. Dyfuzja przesuwa jony K+ i Cl – w wskazanym kierunku, aż siła kulomba zatrzyma dalszy transfer. Powoduje to warstwę dodatniego ładunku na zewnątrz, warstwę ujemnego ładunku na środku, a tym samym napięcie w błonie komórkowej. Membrana jest zwykle nieprzepuszczalna dla Na+.
Rysunek 3. Potencjałem czynnościowym jest impuls napięcia wewnątrz komórki nerwowej. Jest to spowodowane ruchami jonów przez błonę komórkową, jak pokazano. Depolaryzacja występuje, gdy bodziec sprawia, że membrana jest przepuszczalna dla jonów Na+. Repolaryzacja następuje, gdy membrana ponownie staje się nieprzepuszczalna dla Na+, A K+ przesuwa się od wysokiego do niskiego stężenia. W dłuższej perspektywie aktywny transport powoli utrzymuje różnice w stężeniu, ale komórka może strzelać setki razy w szybkim tempie bez poważnego ich zubożenia.
rozdzielenie ładunku tworzy różnicę potencjałów od 70 do 90 mV przez błonę komórkową. Podczas gdy jest to niewielkie napięcie, powstałe pole elektryczne (E = V/d) na całej membranie o grubości 8 nm jest ogromne (rzędu 11 MV/m!) i ma fundamentalny wpływ na jego strukturę i przepuszczalność. Jeśli Na Zewnątrz neuronu znajduje się 0 V, to wnętrze ma potencjał spoczynkowy około -90 mV. Napięcia takie powstają w błonach prawie wszystkich typów komórek zwierzęcych, ale są największe w komórkach nerwowych i mięśniowych. W rzeczywistości, w pełni 25% energii zużywanej przez komórki idzie na tworzenie i utrzymywanie tych potencjałów.
prądy elektryczne wzdłuż błony komórkowej są tworzone przez każdy bodziec, który zmienia przepuszczalność błony. Membrana w ten sposób tymczasowo staje się przepuszczalna dla Na+, który następnie wpada, napędzany zarówno przez dyfuzję, jak i siłę kulomba. Ten rozruch Na + najpierw neutralizuje wewnętrzną membranę lub depolaryzuje ją, a następnie sprawia, że jest lekko dodatnia. Depolaryzacja powoduje, że błona ponownie staje się nieprzepuszczalna dla Na+, a ruch K + szybko przywraca komórkę do jej potencjału spoczynkowego lub repolaryzuje ją. Ta sekwencja zdarzeń powoduje impuls napięciowy, zwany potencjałem czynnościowym. (Patrz Rysunek 3.) Poruszają się tylko małe frakcje jonów, dzięki czemu komórka może strzelać setki razy bez zmniejszania nadmiernych stężeń Na+ I K+. Ostatecznie komórka musi uzupełnić te jony, aby utrzymać różnice w stężeniach, które tworzą bioelektryczność. Ta pompa sodowo-potasowa jest przykładem transportu aktywnego, w którym energia komórki jest wykorzystywana do przenoszenia jonów przez błony przed gradientem dyfuzji i siłą Coulomba.
potencjałem czynnościowym jest impuls napięcia w jednym miejscu na błonie komórkowej. Jak jest przenoszony wzdłuż błony komórkowej, a w szczególności w dół aksonu, jako impuls nerwowy? Odpowiedź jest taka, że zmieniające się napięcie i pola elektryczne wpływają na przepuszczalność sąsiedniej błony komórkowej, tak że ten sam proces odbywa się tam. Przylegająca membrana depolaryzuje się, wpływając na membranę dalej w dół, i tak dalej, Jak pokazano na fig. Tak więc potencjał czynnościowy stymulowany w jednym miejscu wyzwala impuls nerwowy, który porusza się powoli (około 1 m/s) wzdłuż błony komórkowej.
Rysunek 4. Impuls nerwowy to propagacja potencjału czynnościowego wzdłuż błony komórkowej. Bodziec powoduje potencjał czynnościowy w jednym miejscu, co zmienia przepuszczalność sąsiedniej błony, powodując tam potencjał czynnościowy. To z kolei wpływa na błonę dalej w dół, tak, że potencjał czynnościowy porusza się powoli (w kategoriach elektrycznych) wzdłuż błony komórkowej. Chociaż impuls jest spowodowany na+ I K+ przechodzącymi przez membranę, jest on równoważny fali ładunku poruszającej się wzdłuż zewnętrznej i wewnętrznej części membrany.
niektóre aksony, jak na fig. 1, są otoczone mieliną, składającą się z komórek zawierających tłuszcz. Fig. 5 przedstawia powiększony widok aksonu z osłonkami mielinowymi charakterystycznie oddzielonymi niezmielonymi szczelinami (zwanymi węzłami Ranviera). Taki układ daje aksonowi szereg interesujących właściwości. Ponieważ mielina jest izolatorem, zapobiega przeskakiwaniu sygnałów między sąsiednimi nerwami (rozmowa krzyżowa). Dodatkowo, mielinizowane regiony przesyłają sygnały elektryczne z bardzo dużą prędkością, tak jak zwykły przewodnik lub rezystor. W mielinizowanych regionach nie ma potencjału czynnościowego, więc nie wykorzystuje się w nich energii komórkowej. W mielinie występuje utrata sygnału IR, ale sygnał jest regenerowany w szczelinach, gdzie impuls napięciowy wyzwala potencjał czynnościowy przy pełnym napięciu. Mielinizowany Akson przekazuje impuls nerwowy szybciej, przy mniejszym zużyciu energii i jest lepiej chroniony przed mową krzyżową niż bezmielinizowany. Nie wszystkie aksony są mielinizowane, tak że krzyżyk i powolna transmisja sygnału są charakterystyczne dla normalnego działania tych aksonów, innej zmiennej w układzie nerwowym.
zwyrodnienie lub zniszczenie osłonek mielinowych otaczających włókna nerwowe upośledza transmisję sygnału i może prowadzić do licznych efektów neurologicznych. Jedną z najbardziej znanych z tych chorób jest własny układ odpornościowy organizmu atakujący mielinę w ośrodkowym układzie nerwowym—stwardnienie rozsiane. Objawy MS to zmęczenie, problemy ze wzrokiem, osłabienie rąk i nóg, utrata równowagi, i mrowienie lub drętwienie kończyn (neuropatia). Jest bardziej skłonny do uderzania młodszych dorosłych, zwłaszcza kobiet. Przyczyny mogą pochodzić z infekcji, środowiskowych lub geograficznych wpływa, lub genetyki. W tej chwili nie jest znane lekarstwo na SM.
większość komórek zwierzęcych może strzelać lub tworzyć własny potencjał działania. Komórki mięśniowe kurczą się, gdy strzelają i często są do tego indukowane impulsem nerwowym. W rzeczywistości komórki nerwowe i mięśniowe są fizjologicznie podobne, a nawet istnieją komórki hybrydowe, takie jak serce, które mają cechy zarówno nerwów, jak i mięśni. Niektóre zwierzęta, takie jak niesławny węgorz elektryczny (patrz rysunek 6), wykorzystują mięśnie zgięte tak, że ich napięcie dodaje się, aby stworzyć wstrząs wystarczająco duży, aby ogłuszyć zdobycz.
Rysunek 5. Propagacja impulsu nerwowego po mielinizowanym aksonie, od lewej do prawej. Sygnał porusza się bardzo szybko i bez wprowadzania energii w mielinizowanych regionach, ale traci napięcie. Regeneruje się w szczelinach. Sygnał porusza się szybciej niż w aksonach nieomylowanych i jest izolowany od sygnałów w innych nerwach, ograniczając mowę krzyżową.
Rysunek 6. Elektryczny węgorz napina mięśnie, tworząc napięcie, które ogłusza zdobycz. (credit: chrisbb, Flickr)
