fysik

elektriska strömmar i det väldigt komplexa systemet med miljarder nerver i vår kropp gör att vi kan känna världen, kontrollera delar av vår kropp och tänka. Dessa är representativa för nervernas tre huvudfunktioner. För det första bär nerver meddelanden från våra sensoriska organ och andra till centrala nervsystemet, som består av hjärnan och ryggmärgen. För det andra bär nerver meddelanden från centrala nervsystemet till muskler och andra organ. För det tredje överför och bearbetar nerver signaler inom centrala nervsystemet. Det stora antalet nervceller och det otroligt större antalet kopplingar mellan dem gör detta system till det subtila förundran att det är. Nervledning är en allmän term för elektriska signaler som bärs av nervceller. Det är en aspekt av bioelektricitet, eller elektriska effekter i och skapade av biologiska system. Nervceller, ordentligt kallade neuroner, ser annorlunda ut än andra celler—de har tendrils, några av dem många centimeter långa och förbinder dem med andra celler. (Se Figur 1.) Signaler anländer till cellkroppen över synapser eller genom dendriter, vilket stimulerar neuronen att generera sin egen signal, skickad längs sin långa axon till andra nerv-eller muskelceller. Signaler kan komma från många andra platser och överföras till ännu andra, konditionera synapserna genom användning, vilket ger systemet dess komplexitet och dess förmåga att lära sig.

Figur 1. En neuron med dess dendriter och långa axon. Signaler i form av elektriska strömmar når cellkroppen genom dendriter och över synapser, vilket stimulerar neuronen att generera sin egen signal som skickas ner axonen. Antalet sammankopplingar kan vara mycket större än vad som visas här.

metoden genom vilken dessa elektriska strömmar genereras och överförs är mer komplex än den enkla rörelsen av fria laddningar i en ledare, men det kan förstås med principer som redan diskuterats i denna text. De viktigaste av dessa är Coulomb-kraften och diffusionen. Figur 2 illustrerar hur en spänning (potentialskillnad) skapas över cellmembranet i en neuron i vilotillstånd. Detta tunna membran separerar elektriskt neutrala vätskor med olika koncentrationer av joner, de viktigaste sorterna är Na+, K+ och Cl– (dessa är natrium -, kalium-och klorjoner med enkla plus-eller minusladdningar som anges). Som diskuterats i molekylära transportfenomen: Diffusion, osmos och relaterade processer, kommer fria joner att diffundera från en region med hög koncentration till en med låg koncentration. Men cellmembranet är semipermeabelt, vilket innebär att vissa joner kan korsa det medan andra inte kan. I sitt vilotillstånd är cellmembranet permeabelt för K + och Cl– och ogenomträngligt för Na+. Diffusion av K + och Cl– skapar sålunda skikten av positiv och negativ laddning på utsidan och insidan av membranet. Coulomb-kraften förhindrar att jonerna diffunderar över i sin helhet. När laddningsskiktet har byggts upp hindrar avstängningen av liknande laddningar mer från att röra sig över, och attraktionen av till skillnad från laddningar hindrar mer från att lämna vardera sidan. Resultatet är två lager laddning direkt på membranet, med diffusion balanserad av Coulomb-kraften. En liten del av laddningarna rör sig över och vätskorna förblir neutrala (andra joner är närvarande), medan en separation av laddning och en spänning har skapats över membranet.

Figur 2. Det semipermeabla membranet i en cell har olika koncentrationer av joner inifrån och Ut. Diffusion flyttar K + – och Cl-jonerna i den visade riktningen tills Coulomb-kraften stoppar ytterligare överföring. Detta resulterar i ett lager av positiv laddning på utsidan, ett lager av negativ laddning på insidan och därmed en spänning över cellmembranet. Membranet är normalt ogenomträngligt för Na+.

Figur 3. En åtgärdspotential är pulsen av spänning inuti en nervcell som ritas här. Det orsakas av rörelser av joner över cellmembranet som visas. Depolarisering uppstår när en stimulans gör membranet permeabelt för Na+ joner. Repolarisering följer när membranet igen blir ogenomträngligt för Na+ och K+ rör sig från hög till låg koncentration. På lång sikt upprätthåller aktiv transport långsamt koncentrationsskillnaderna, men cellen kan avfyra hundratals gånger i snabb följd utan att allvarligt tömma dem.

separationen av laddning skapar en potentialskillnad på 70 till 90 mV över cellmembranet. Även om detta är en liten spänning är det resulterande elektriska fältet (E = V/d) över det enda 8 nm tjocka membranet enormt (i storleksordningen 11 MV/m!) och har grundläggande effekter på dess struktur och permeabilitet. Nu, om utsidan av en neuron antas vara vid 0 V, har interiören en vilopotential på cirka -90 mV. Sådana spänningar skapas över membranen i nästan alla typer av djurceller men är störst i nerv-och muskelceller. Faktum är att helt 25% av den energi som används av celler går mot att skapa och upprätthålla dessa potentialer.

elektriska strömmar längs cellmembranet skapas av någon stimulans som förändrar membranets permeabilitet. Membranet blir sålunda tillfälligt permeabelt för Na+, som sedan rusar in, drivs både av diffusion och Coulomb-kraften. Denna inrush av Na + neutraliserar först det inre membranet eller depolariserar det och gör det sedan något positivt. Depolariseringen gör att membranet igen blir ogenomträngligt för Na+, och rörelsen av K+ returnerar snabbt cellen till sin vilopotential eller repolariserar den. Denna sekvens av händelser resulterar i en spänningspuls, kallad åtgärdspotentialen. (Se Figur 3.) Endast små fraktioner av jonerna rör sig, så att cellen kan avfyra många hundra gånger utan att tömma överskottskoncentrationerna av Na+ och K+. Så småningom måste cellen fylla på dessa joner för att upprätthålla koncentrationsskillnaderna som skapar bioelektricitet. Denna natrium-kaliumpump är ett exempel på aktiv transport, där cellenergi används för att flytta joner över membran mot diffusionsgradienter och Coulomb-kraften.

åtgärdspotentialen är en spänningspuls på en plats på ett cellmembran. Hur överförs det längs cellmembranet, och i synnerhet ner en axon, som en nervimpuls? Svaret är att de förändrade spännings-och elektriska fälten påverkar permeabiliteten hos det intilliggande cellmembranet, så att samma process äger rum där. Det intilliggande membranet depolariserar, påverkar membranet längre ner, och så vidare, som illustreras i Figur 4. Således utlöser åtgärdspotentialen stimulerad på en plats en nervimpuls som rör sig långsamt (cirka 1 m/s) längs cellmembranet.

Figur 4. En nervimpuls är förökningen av en åtgärdspotential längs ett cellmembran. En stimulans orsakar en åtgärdspotential på en plats, vilket förändrar permeabiliteten hos det intilliggande membranet, vilket orsakar en åtgärdspotential där. Detta påverkar i sin tur membranet längre ner, så att åtgärdspotentialen rör sig långsamt (i elektriska termer) längs cellmembranet. Även om impulsen beror på att Na + och K+ går över membranet, motsvarar den en laddningsvåg som rör sig längs utsidan och insidan av membranet.

vissa axoner, som i Figur 1, är mantlade med myelin, bestående av fettinnehållande celler. Figur 5 visar en förstorad vy av en axon med myelinmantlar som är karakteristiskt åtskilda av omyelinerade luckor (kallade noder av Ranvier). Detta arrangemang ger axonen ett antal intressanta egenskaper. Eftersom myelin är en isolator förhindrar det att signaler hoppar mellan intilliggande nerver (korsprat). Dessutom överför de myeliniserade regionerna elektriska signaler med mycket hög hastighet, som en vanlig ledare eller motstånd skulle. Det finns ingen åtgärdspotential i de myeliniserade regionerna, så att ingen cellenergi används i dem. Det finns en IR-signalförlust i myelin, men signalen regenereras i luckorna, där spänningspulsen utlöser åtgärdspotentialen vid full spänning. Så en myeliniserad axon överför en nervimpuls snabbare, med mindre energiförbrukning, och är bättre skyddad från korssamtal än en omyeliniserad. Inte alla axoner är myeliniserade, så att korssamtal och långsam signalöverföring är ett kännetecken för den normala driften av dessa axoner, en annan variabel i nervsystemet.

degenerationen eller förstörelsen av myelinmantlarna som omger nervfibrerna försämrar signalöverföringen och kan leda till många neurologiska effekter. En av de mest framträdande av dessa sjukdomar kommer från kroppens eget immunsystem som attackerar myelin i centrala nervsystemet—multipel skleros. MS-symtom inkluderar trötthet, synproblem, svaghet i armar och ben, förlust av balans och stickningar eller domningar i extremiteterna (neuropati). Det är mer lämpligt att slå yngre vuxna, särskilt kvinnor. Orsaker kan komma från infektion, miljö-eller geografiska effekter eller genetik. För närvarande finns det inget känt botemedel mot MS.

de flesta djurceller kan avfyra eller skapa sin egen handlingspotential. Muskelceller dras samman när de brinner och induceras ofta av en nervimpuls. I själva verket är nerv-och muskelceller fysiologiskt lika, och det finns till och med hybridceller, som i hjärtat, som har egenskaper hos både nerver och muskler. Vissa djur, som den ökända elektriska ålen (se Figur 6), använder muskler ganged så att deras spänningar lägger till för att skapa en chock som är tillräckligt stor för att bedöva byte.

Figur 5. Förökning av en nervimpuls ner en myelinerad axon, från vänster till höger. Signalen färdas mycket snabbt och utan energiinmatning i de myeliniserade regionerna, men den förlorar spänning. Det regenereras i luckorna. Signalen rör sig snabbare än i omyeliniserade axoner och är isolerad från signaler i andra nerver, vilket begränsar korsprat.

Figur 6. En elektrisk ål böjer sina muskler för att skapa en spänning som stöter på byte. (kredit: chrisbb, Flickr)