แรงกระตุ้นในเซลล์ประสาทจะตีลังกา แรงกระตุ้นของเส้นประสาทและหลักการของการส่งสัญญาณ ทุกอย่างทำงานอย่างไรในสมอง

8317 0

เซลล์ประสาท

ในสัตว์ชั้นสูง เซลล์ประสาทจะสร้างอวัยวะของระบบประสาทส่วนกลาง (CNS) ได้แก่ สมองและไขสันหลัง และระบบประสาทส่วนปลาย (PNS) ซึ่งรวมถึงเส้นประสาทและกระบวนการของพวกมันที่เชื่อมต่อระบบประสาทส่วนกลางกับกล้ามเนื้อ ต่อม และตัวรับ .

โครงสร้าง

เซลล์ประสาทไม่ได้สืบพันธุ์โดยไมโทซีส (การแบ่งเซลล์) เซลล์ประสาทเรียกว่าเซลล์อะมิโทติค - หากถูกทำลายจะไม่สามารถฟื้นตัวได้ ปมประสาทเป็นกลุ่มของเซลล์ประสาทที่อยู่นอกระบบประสาทส่วนกลาง เซลล์ประสาททั้งหมดประกอบด้วยองค์ประกอบดังต่อไปนี้

เซลล์ร่างกาย- เหล่านี้คือนิวเคลียสและไซโตพลาสซึม

แอกซอน.เป็นส่วนขยายที่ยาวและบางซึ่งส่งข้อมูลจากร่างกายของเซลล์ไปยังเซลล์อื่นผ่านการเชื่อมต่อที่เรียกว่าไซแนปส์ แอกซอนบางตัวมีความยาวน้อยกว่า 1 เซนติเมตร ในขณะที่บางตัวยาวมากกว่า 90 ซม. แอกซอนส่วนใหญ่ล้อมรอบด้วยสารป้องกันที่เรียกว่าปลอกไมอีลิน ซึ่งช่วยเร่งกระบวนการส่งแรงกระตุ้นเส้นประสาท การตีบตันบนแอกซอนในช่วงเวลาหนึ่งเรียกว่าโหนดของรันเวียร์

เดนไดรต์เป็นโครงข่ายของเส้นใยสั้นที่ยื่นออกมาจากแอกซอนหรือตัวเซลล์ และเชื่อมต่อปลายแอกซอนจากเซลล์ประสาทอื่นๆ เดนไดรต์ให้ข้อมูลแก่เซลล์โดยการรับและส่งสัญญาณ เซลล์ประสาทแต่ละเซลล์สามารถมีเดนไดรต์ได้หลายร้อยเส้น

โครงสร้างเซลล์ประสาท

ฟังก์ชั่น

เซลล์ประสาทสัมผัสกันทางเคมีไฟฟ้า โดยส่งแรงกระตุ้นไปทั่วร่างกาย

เปลือกไมอีลิน

- เซลล์ชวานน์ขดตัวรอบแอกซอนตั้งแต่หนึ่งแอกซอนขึ้นไป (ก)ก่อตัวเป็นเปลือกไมอีลิน
- ประกอบด้วยพลาสมาเมมเบรนหลายชั้น (อาจเป็น 50-100) (ข)ระหว่างที่ไซโตซอลเหลว (ไซโตพลาสซึมไร้ไฮโปคอนเดรียและองค์ประกอบอื่น ๆ ของเอนโดพลาสซึมเรติคูลัม) ไหลเวียน ยกเว้นชั้นบนสุด (วี).
- เปลือกไมอีลินรอบแอกซอนยาวแบ่งออกเป็นส่วน ๆ ซึ่งแต่ละส่วนประกอบขึ้นจากเซลล์ชวานน์ที่แยกจากกัน
- ส่วนที่อยู่ติดกันจะถูกคั่นด้วยส่วนแคบที่เรียกว่าโหนดของ Ranvier (ช)โดยที่แอกซอนไม่มีเปลือกไมอีลิน

แรงกระตุ้นของเส้นประสาท

ในสัตว์ชั้นสูง สัญญาณจะถูกส่งไปทั่วร่างกายและจากสมองในรูปของแรงกระตุ้นไฟฟ้าที่ส่งผ่านเส้นประสาท เส้นประสาทสร้างแรงกระตุ้นเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ เคมี หรือทางไฟฟ้าในเยื่อหุ้มเซลล์

1 เซลล์ประสาทที่กำลังพัก

เซลล์ประสาทที่อยู่นิ่งมีประจุลบอยู่ภายในเยื่อหุ้มเซลล์ (a) และมีประจุบวกอยู่นอกเยื่อหุ้มเซลล์นี้ (b) ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าศักย์เยื่อตกค้าง

ได้รับการสนับสนุนจากสองปัจจัย:

การซึมผ่านต่างๆ เยื่อหุ้มเซลล์สำหรับโซเดียมและโพแทสเซียมไอออนซึ่งมีประจุบวกเท่ากัน โซเดียมกระจาย (ผ่าน) เข้าสู่เซลล์ช้ากว่าโพแทสเซียมที่ปล่อยออกมา

การแลกเปลี่ยนโซเดียม-โพแทสเซียม ซึ่งไอออนบวกจะออกจากเซลล์มากกว่าที่จะเข้าไป เป็นผลให้ไอออนบวกสะสมอยู่นอกเยื่อหุ้มเซลล์มากกว่าภายใน

2 เซลล์ประสาทที่ถูกกระตุ้น

เมื่อเซลล์ประสาทถูกกระตุ้น การซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์บางส่วนจะเปลี่ยนไป ไอออนโซเดียมบวก (g) เริ่มเข้าสู่เซลล์เร็วกว่าตำแหน่งพัก ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มศักยภาพเชิงบวกภายในเซลล์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าดีโพลาไรเซชัน

3 แรงกระตุ้นของเส้นประสาท

ดีโพลาไรเซชันจะค่อยๆ แพร่กระจายไปยังเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งหมด (e) ประจุที่ด้านข้างของเยื่อหุ้มเซลล์จะค่อยๆ เปลี่ยนไป (ไม่ใช่ชั่วขณะหนึ่ง) ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าโพลาไรเซชันแบบย้อนกลับ โดยพื้นฐานแล้วนี่คือแรงกระตุ้นเส้นประสาทที่ส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ประสาท

4 การรีโพลาไรซ์

การซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์เปลี่ยนแปลงอีกครั้ง โซเดียมไอออนบวก (Na+) เริ่มออกจากเซลล์ (e) ในที่สุด ประจุบวกก็จะเกิดขึ้นนอกเซลล์อีกครั้ง และประจุบวกก็ก่อตัวขึ้นภายในเซลล์ กระบวนการนี้เรียกว่าการโพลาไรเซชัน

ข้อมูลจะถูกถ่ายโอนระหว่างเซลล์ประสาทเหมือนกับกระแสในสายไฟ แรงกระตุ้นทางไฟฟ้าถูกส่งจากเซลล์หนึ่งไปอีกเซลล์หนึ่ง จากเดนไดรต์ที่มีต้นกำเนิดไปยังแอกซอนที่พวกมันเคลื่อนผ่าน แต่ก็ยังมีความแตกต่างจาก เครือข่ายไฟฟ้า- แรงกระตุ้นไม่ได้ส่งผ่านอิเล็กตรอน แต่ส่งผ่านไอออน

ไซแนปส์

แม้จะมีจำนวนมาก แต่เซลล์ประสาทก็ไม่เคยสัมผัสกัน แต่แรงกระตุ้นทางไฟฟ้าไม่สามารถส่งผ่านได้เว้นแต่จะมีการสัมผัสทางกายภาพ ดังนั้นข้อความที่ส่งจากเซลล์ประสาทหนึ่งไปอีกเซลล์ประสาทจะต้องถูกแปลงจากไฟฟ้าไปเป็นรูปแบบอื่น ระบบประสาทใช้สารเคมีในการส่งข้อมูลระหว่างเซลล์ประสาท

ไซแนปส์เป็นจุดเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาทสองเซลล์หรือระหว่างเซลล์ประสาทกับเซลล์ที่รับสัญญาณ

พื้นที่ซินแนปติกมีรูปร่างเป็นรอยแหว่ง เมื่อไร แรงกระตุ้นไฟฟ้ามาถึงเซลล์ประสาท มันจะปล่อยโมเลกุลเคมีที่เรียกว่าสารสื่อประสาทออกจากไซแนปส์ โดยการแพร่กระจาย พวกมันจะเคลื่อนผ่านรอยแยกไซแนปติกและเข้าสู่ตัวรับของเซลล์ประสาทอีกอันที่ออกแบบมาสำหรับพวกมันโดยเฉพาะ เป็นผลให้มีแรงกระตุ้นทางไฟฟ้าเกิดขึ้นอีก

สารสื่อประสาทสองประเภท

สมองผลิตสารสื่อประสาทประมาณห้าสิบชนิด ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภท ผู้ไกล่เกลี่ยที่กระตุ้นการกระตุ้นมีส่วนทำให้เกิดแรงกระตุ้นเส้นประสาท ในทางกลับกันสารสื่อประสาทที่ยับยั้งจะทำให้การเกิดช้าลง ในกรณีส่วนใหญ่ เซลล์ประสาทจะปล่อยสารสื่อประสาทเพียงชนิดเดียวเท่านั้น

ขีดจำกัดของการกระตุ้น

เซลล์ประสาทแต่ละตัวสามารถรับข้อความได้หลายร้อยข้อความต่อวินาที เขาตัดสินระดับความสำคัญของมันและทำการวิเคราะห์เบื้องต้น ในเซลล์ประสาท แรงกระตุ้นที่ถูกกระตุ้นจะถูกเพิ่มเข้าไป และแรงกระตุ้นที่ยับยั้งจะถูกลบออก เพื่อให้เซลล์ประสาทสร้างแรงกระตุ้นของตัวเอง ผลรวมที่ได้จะต้องมากกว่าค่าที่กำหนด

บทบาทของการทำซ้ำ

ความคิดที่คล้ายกัน ความทรงจำที่คล้ายกันจะกระตุ้นเซลล์ประสาทและไซแนปส์เดียวกัน ไซแนปส์ที่ใช้บ่อยจะทำงานเร็วขึ้น ดังนั้นเราจึงจำอย่างรวดเร็วถึงสิ่งที่เราเห็นหรือทำซ้ำหลายครั้ง อย่างไรก็ตาม การเชื่อมต่อเหล่านี้อาจหายไปได้หากใช้ไม่เพียงพอ และการเชื่อมต่อใหม่อาจปรากฏขึ้นแทนที่ได้

เซลล์เกลียล

เซลล์ประสาทอีกประเภทหนึ่งคือเซลล์เกลีย มีมากกว่าเซลล์ประสาทถึง 10 เท่า พวกเขาถูกเรียกว่า "พยาบาลแห่งเซลล์ประสาท" เพราะพวกเขามีส่วนช่วยในการโภชนาการ กำจัดของเสีย และปกป้องจากศัตรูภายนอก แต่การวิจัยล่าสุดชี้ให้เห็นว่าพวกมันมีความจำเป็นมากกว่าการดูแลเซลล์ประสาท เห็นได้ชัดว่าพวกเขายังเกี่ยวข้องกับการประมวลผลข้อมูลนอกจากนี้ยังจำเป็นสำหรับการทำงานของหน่วยความจำ!

เส้นใยประสาท

กระบวนการของเซลล์ประสาทถูกล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้มและรวมกันเป็นมัดที่เรียกว่าเส้นใยประสาท จำนวนเส้นใยประสาทในเส้นประสาทต่างๆ มีตั้งแต่ 10 2 ถึง 10 5

เปลือกใยประสาทประกอบด้วย เซลล์เกลียและส่งเสริมการไหลเวียนของกระแสประสาททั่วร่างกาย เรียกว่าเปลือกไมอีลิน

บทบาทของฮอร์โมนต่อการทำงานของสมอง

ในการแลกเปลี่ยนข้อมูล สมองใช้สารประกอบเคมีพิเศษ - ฮอร์โมน บางส่วนผลิตโดยสมองและบางส่วนผลิตโดยต่อมไร้ท่อ ฮอร์โมนทำให้เกิดปฏิกิริยาทางสรีรวิทยาต่างๆ

3. สมองมนุษย์

ชั้นนอกของสมองประกอบด้วยซีกสมองสองซีกซึ่งซ่อนการก่อตัวที่ลึกกว่า พื้นผิวของซีกโลกถูกปกคลุมไปด้วยร่องและการโน้มน้าวใจซึ่งจะเพิ่มพื้นผิว

ส่วนหลักของสมอง

สมองของมนุษย์แบ่งได้คร่าวๆ ออกเป็น 3 ส่วนหลักๆ ได้แก่

สมองส่วนหน้า

ก้านสมอง

สมองน้อย

สสารสีเทาและสีขาว

เนื้อสมองประกอบด้วยพื้นที่สีเทาและสีขาว พื้นที่สีเทาคือกลุ่มของเซลล์ประสาท มีมากกว่า 100 พันล้านคน และเป็นคนประมวลผลข้อมูล เนื้อสมองสีขาวประกอบด้วยแอกซอน ข้อมูลจะถูกส่งผ่านโดยเซลล์ประสาท ส่วนด้านในของไขสันหลังก็มีสสารสีเทาเช่นกัน

โภชนาการสมอง

สมองต้องการสารอาหารเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง ต่างจากเซลล์อื่นๆ ในร่างกาย เซลล์สมองสามารถประมวลผลได้เฉพาะกลูโคสเท่านั้น สมองก็ต้องการออกซิเจนเช่นกัน หากไม่มีมัน ไมโตคอนเดรียจะไม่สามารถผลิตพลังงานได้เพียงพอ แต่เนื่องจากเลือดส่งกลูโคสและออกซิเจนไปยังสมอง เพื่อรักษาสุขภาพสมอง จึงไม่ควรรบกวนการไหลเวียนของเลือดตามปกติ หากเลือดหยุดไหลไปยังสมอง ภายในสิบวินาทีบุคคลนั้นจะหมดสติ แม้ว่าสมองจะมีน้ำหนักเพียง 2.5% ของน้ำหนักร่างกาย แต่สมองจะได้รับเลือดที่ไหลเวียนในร่างกาย 20% อย่างต่อเนื่องและออกซิเจนในปริมาณที่เท่ากันทั้งกลางวันและกลางคืน

เซลล์ประสาทมอเตอร์

กิจกรรมการหดตัวของกล้ามเนื้อถูกควบคุมโดยใช้ จำนวนมาก เซลล์ประสาทมอเตอร์– เซลล์ประสาทที่ร่างกายอยู่ข้างใน ไขสันหลังและกิ่งก้านยาว – แอกซอนพวกมันเข้าใกล้กล้ามเนื้อโดยเป็นส่วนหนึ่งของเส้นประสาทสั่งการ เมื่อเข้าไปในกล้ามเนื้อ แอกซอนจะแตกกิ่งก้านออกเป็นหลายกิ่ง แต่ละกิ่งเชื่อมต่อกับเส้นใยที่แยกจากกัน เหมือนกับสายไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับบ้าน ดังนั้น เซลล์ประสาทสั่งการหนึ่งอันจึงควบคุมเส้นใยทั้งกลุ่ม (ที่เรียกว่า หน่วยประสาทมอเตอร์) ซึ่งทำงานเป็นหน่วยเดียว

กล้ามเนื้อประกอบด้วยหน่วยนิวโรมอเตอร์จำนวนมากและไม่สามารถทำงานได้กับมวลทั้งหมด แต่ทำงานเป็นบางส่วนซึ่งช่วยให้คุณควบคุมความแข็งแกร่งและความเร็วของการหดตัวได้

เรามาดูโครงสร้างเซลล์ประสาทโดยละเอียดกันดีกว่า

หน่วยโครงสร้างและการทำงานของระบบประสาทคือเซลล์ประสาท - เซลล์ประสาท.

เซลล์ประสาท- เซลล์พิเศษที่สามารถรับ ประมวลผล ส่งและจัดเก็บข้อมูล จัดปฏิกิริยาต่อการกระตุ้น และสร้างการติดต่อกับเซลล์ประสาทและเซลล์อวัยวะอื่น ๆ

เซลล์ประสาทประกอบด้วยร่างกายที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 ถึง 130 ไมโครเมตร ซึ่งมีนิวเคลียส (ที่มีรูพรุนนิวเคลียร์จำนวนมาก) และออร์แกเนล (รวมถึงโครงร่างตาข่ายเอนโดพลาสซึมแบบหยาบที่ได้รับการพัฒนาอย่างมากซึ่งมีไรโบโซมที่ทำงานอยู่ อุปกรณ์ Golgi) รวมถึงกระบวนการต่างๆ . กระบวนการมีสองประเภท: เดนไดรต์และแอกซอนเซลล์ประสาทมีโครงร่างโครงร่างที่พัฒนาแล้วและซับซ้อนซึ่งแทรกซึมกระบวนการของมัน โครงร่างของเซลล์รักษารูปร่างของเซลล์ เส้นใยของมันทำหน้าที่เป็น "ราง" สำหรับการขนส่งออร์แกเนลล์และสารที่บรรจุในถุงเมมเบรน (เช่น สารสื่อประสาท)

เดนไดรต์- การแยกกระบวนการสั้น ๆ ที่รับสัญญาณจากเซลล์ประสาทอื่น เซลล์รับ หรือโดยตรงจากสิ่งเร้าภายนอก เดนไดรต์นำกระแสประสาทไปยังร่างกายของเซลล์ประสาท

แอกซอน– กระบวนการอันยาวนานในการกระตุ้นจากเซลล์ประสาท

ความสามารถพิเศษของเซลล์ประสาทคือ:

- ความสามารถในการสร้างประจุไฟฟ้า
- ถ่ายทอดข้อมูลโดยใช้ตอนจบแบบพิเศษ –ไซแนปส์

แรงกระตุ้นเส้นประสาท.

แล้วการส่งกระแสประสาทเกิดขึ้นได้อย่างไร?
หากการกระตุ้นของเซลล์ประสาทเกินค่าเกณฑ์ที่กำหนด การเปลี่ยนแปลงทางเคมีและไฟฟ้าจะเกิดขึ้น ณ จุดกระตุ้นที่แพร่กระจายไปทั่วเซลล์ประสาท การเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าที่ส่งเรียกว่า แรงกระตุ้นเส้นประสาท

แตกต่างจากการปล่อยกระแสไฟฟ้าธรรมดาซึ่งเนื่องจากความต้านทานของเซลล์ประสาทจะค่อยๆอ่อนลงและจะสามารถครอบคลุมได้เพียงระยะทางสั้น ๆ แรงกระตุ้นเส้นประสาท "ที่ทำงาน" ที่ช้ากว่ามากจะถูกฟื้นฟูอย่างต่อเนื่อง (สร้างใหม่) ในกระบวนการแพร่กระจาย
ความเข้มข้นของไอออน (อะตอมที่มีประจุไฟฟ้า) - ส่วนใหญ่เป็นโซเดียมและโพแทสเซียมเช่นกัน สารอินทรีย์– ภายนอกเซลล์ประสาทและภายในไม่เหมือนกัน ดังนั้นเซลล์ประสาทที่เหลือจึงมีประจุลบจากภายใน และประจุบวกจากภายนอก เป็นผลให้เกิดความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นบนเยื่อหุ้มเซลล์ (ที่เรียกว่า "ศักยภาพในการพัก" คือประมาณ –70 มิลลิโวลต์) การเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่ลดประจุลบภายในเซลล์และด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่าความต่างศักย์ข้ามเมมเบรน การสลับขั้ว
พลาสมาเมมเบรนที่อยู่รอบเซลล์ประสาทเป็นรูปแบบที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยไขมัน (ไขมัน) โปรตีน และคาร์โบไฮเดรต ไอออนไม่สามารถทะลุผ่านได้ในทางปฏิบัติ แต่โมเลกุลโปรตีนบางส่วนในเมมเบรนจะสร้างช่องทางให้ไอออนบางชนิดสามารถผ่านได้ อย่างไรก็ตาม ช่องเหล่านี้เรียกว่าช่องไอออน ไม่ได้เปิดตลอดเวลา แต่สามารถเปิดและปิดได้เช่นเดียวกับประตู
เมื่อเซลล์ประสาทถูกกระตุ้น ช่องโซเดียม (Na+) บางส่วนจะเปิด ณ จุดกระตุ้น ทำให้โซเดียมไอออนเข้าสู่เซลล์ การไหลเข้าของไอออนที่มีประจุบวกเหล่านี้จะช่วยลดประจุลบของพื้นผิวด้านในของเมมเบรนในบริเวณช่องสัญญาณซึ่งนำไปสู่การสลับขั้วซึ่งมาพร้อมกับ การเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันแรงดันและการคายประจุ - สิ่งที่เรียกว่า “ศักยภาพในการดำเนินการ” เช่น แรงกระตุ้นเส้นประสาท จากนั้นช่องโซเดียมจะปิดลง
ในเซลล์ประสาทจำนวนมาก ดีโพลาไรซ์ยังทำให้ช่องโพแทสเซียม (K+) เปิด ทำให้โพแทสเซียมไอออนออกจากเซลล์ การสูญเสียไอออนที่มีประจุบวกเหล่านี้จะเพิ่มประจุลบบนพื้นผิวด้านในของเมมเบรนอีกครั้ง จากนั้นช่องโพแทสเซียมก็ปิดลง โปรตีนเมมเบรนชนิดอื่นก็เริ่มทำงานเช่นกัน - ที่เรียกว่า ปั๊มโพแทสเซียมโซเดียมที่จะย้าย Na+ ออกจากเซลล์และ K+ เข้าไปในเซลล์ ซึ่งควบคู่ไปกับการทำงานของโพแทสเซียมแชนเนล จะคืนสถานะเคมีไฟฟ้าดั้งเดิม (ศักยภาพในการพักตัว) ณ จุดกระตุ้น
การเปลี่ยนแปลงทางเคมีไฟฟ้า ณ จุดกระตุ้นทำให้เกิดการสลับขั้วที่จุดที่อยู่ติดกันบนเมมเบรน และกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในวงจรเดียวกัน กระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำอย่างต่อเนื่อง และในแต่ละจุดใหม่ที่เกิดดีโพลาไรเซชัน แรงกระตุ้นที่มีขนาดเท่ากันก็เกิดขึ้นเช่นเดียวกับที่จุดก่อนหน้า ดังนั้น ควบคู่ไปกับวงจรไฟฟ้าเคมีที่ได้รับการปรับปรุงใหม่ แรงกระตุ้นของเส้นประสาทจึงแพร่กระจายไปตามเซลล์ประสาทจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง

เราได้ค้นพบแล้วว่าแรงกระตุ้นเส้นประสาทเดินทางผ่านเซลล์ประสาทได้อย่างไร ตอนนี้เรามาดูกันว่าแรงกระตุ้นถูกส่งจากแอกซอนไปยังเส้นใยกล้ามเนื้ออย่างไร

ไซแนปส์

แอกซอนตั้งอยู่ในเส้นใยกล้ามเนื้อในช่องพิเศษ ซึ่งเกิดจากการยื่นออกมาของแอกซอนและไซโตพลาสซึมของเส้นใยเซลล์
ไซแนปส์ประสาทและกล้ามเนื้อเกิดขึ้นระหว่างพวกเขา

ชุมทางประสาทและกล้ามเนื้อ– เส้นประสาทที่สิ้นสุดระหว่างแอกซอนของเซลล์ประสาทสั่งการและเส้นใยกล้ามเนื้อ

1. แอกซอน.
2. เยื่อหุ้มเซลล์
3. ถุง Axon synaptic
4. โปรตีนตัวรับ
5. ไมโตคอนเดรีย.

ไซแนปส์ประกอบด้วยสามส่วน:
1) องค์ประกอบ presynaptic (ให้ออก) ที่มี synaptic vesicles (vesicles) พร้อมตัวส่งสัญญาณ
2) แหว่ง synaptic (แหว่งส่ง)
3) องค์ประกอบโพสซินแนปติก (การรับรู้) ที่มีโปรตีนตัวรับที่รับประกันการทำงานร่วมกันของเครื่องส่งสัญญาณกับเมมเบรนโพสต์ซินแนปติกและโปรตีนของเอนไซม์ที่ทำลายหรือปิดการใช้งานเครื่องส่งสัญญาณ

องค์ประกอบพรีไซแนปติก- องค์ประกอบที่ส่งกระแสประสาท
องค์ประกอบโพสซินแนปติก- องค์ประกอบที่ได้รับแรงกระตุ้นเส้นประสาท
แหว่ง Synaptic- ช่วงเวลาที่การส่งกระแสประสาทเกิดขึ้น

เมื่อแรงกระตุ้นเส้นประสาทในรูปแบบของศักยภาพในการดำเนินการ (กระแสเมมเบรนที่เกิดจากโซเดียมและโพแทสเซียมไอออน) "มาถึง" ที่ไซแนปส์ แคลเซียมไอออนจะเข้าสู่องค์ประกอบพรีไซแนปติก

คนกลาง– สารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่หลั่งออกมาจากปลายประสาทและส่งกระแสประสาทที่ไซแนปส์ ตัวกลางใช้ในการส่งแรงกระตุ้นไปยังเส้นใยกล้ามเนื้อ – อะเซทิลโคลีน

แคลเซียมไอออนช่วยให้ถุงน้ำแตกและปล่อยตัวส่งสัญญาณเข้าไปในรอยแยกซินแนปติก เมื่อผ่านรอยแยกไซแนปติกแล้ว ตัวส่งสัญญาณจะจับกับโปรตีนตัวรับบนเยื่อโพสซินแนปติก อันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์นี้ แรงกระตุ้นของเส้นประสาทใหม่เกิดขึ้นบนเมมเบรนโพสซินแนปติก ซึ่งถูกส่งไปยังเซลล์อื่น หลังจากมีปฏิสัมพันธ์กับตัวรับ ตัวกลางจะถูกทำลายและกำจัดออกโดยโปรตีนของเอนไซม์ ข้อมูลจะถูกส่งไปยังเซลล์ประสาทอื่น ๆ ในรูปแบบที่เข้ารหัส (ลักษณะความถี่ของศักยภาพที่เกิดขึ้นบนเมมเบรนโพสต์ซินแนปติก; อะนาล็อกแบบง่ายของรหัสดังกล่าวคือบาร์โค้ดบนบรรจุภัณฑ์ของผลิตภัณฑ์) “การถอดรหัส” เกิดขึ้นในศูนย์ประสาทที่เกี่ยวข้อง
ตัวกลางที่ไม่ได้ผูกมัดกับตัวรับจะถูกทำลายโดยเอนไซม์พิเศษหรือจับกลับเข้าไปในถุงของจุดสิ้นสุดของพรีไซแนปติก

วิดีโอที่น่าสนใจเกี่ยวกับการเดินทางของแรงกระตุ้นเส้นประสาท:

วิดีโอที่สวยงามยิ่งขึ้น

ไซแนปส์

วิธีดำเนินการกระตุ้นเส้นประสาท (สไลด์โชว์)

กระแสประสาทคืออะไร

ธรรมชาตินั้นง่ายมาก
ไม่อย่างนั้นก็จะไม่มีอะไรทำงาน
มีความเรียบง่ายนี้มากมาย
ดังนั้นความยากลำบากทั้งหมด

แม้ว่าทุกวันนี้เราจะรู้กันมากมายเกี่ยวกับสมองและโครงสร้างของสมอง แต่คำถามหลักก็คือ “มันทำงานอย่างไร” ยังไม่มีคำตอบ สมองปรากฏต่อเราเหมือนกล่องดำ ซึ่งรับสัญญาณ "บางส่วน" ที่สะท้อนสถานการณ์ของโลกภายนอกผ่านตัวรับ - อวัยวะรับสัมผัส และในทางกลับกัน สมองก็ประมวลผล จัดเก็บ และส่ง "บางส่วน" ” ควบคุมคำสั่งให้พนักงาน (ผู้บริหาร)

คำถามที่ยังไม่มีคำตอบยังคงอยู่เกี่ยวกับวิธีการแสดง บันทึก (บันทึก) และดึงข้อมูลนี้

แต่ถึงกระนั้น วิทยาศาสตร์ก็ไม่หยุดนิ่ง และนักวิทยาศาสตร์ก็มีความก้าวหน้าอย่างมากในการวิจัยสมอง

มีแนวคิดเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเซลล์ประสาท มีการพยายามสร้างแบบจำลองเชิงตรรกะของวิธีการทำงานของสมอง จริงอยู่ที่มันคุ้มค่าที่จะสัมผัสกับปัญหาการถ่ายโอนข้อมูลระหว่างเซลล์ประสาทและเราพบคำแนะนำที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เกี่ยวกับวิธีการส่งสัญญาณกระตุ้นวิธีการส่งสัญญาณทางเคมีและไฟฟ้าในทันที กล่าวถึงลักษณะทางไฟฟ้าของแรงกระตุ้นเส้นประสาทราวกับว่ากำลังผ่านไป

การขาดความเฉพาะเจาะจงทำให้มีขอบเขตสำหรับจินตนาการที่ลึกลับและวิทยาศาสตร์หลอก ดังนั้น เพื่อให้เข้าใจถึงผลกระทบทางชีวฟิสิกส์ในสมอง จึงมีการพยายามอย่างต่อเนื่องที่จะแนะนำสมมุติฐานใหม่ เช่น เกี่ยวกับการมีอยู่ตามธรรมชาติของบางอย่าง ความมีชีวิตชีวาหรือสนามบิด

แบบจำลองการทำงานของสมองสมัยใหม่
ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าสมองประกอบด้วย ปริมาณมากองค์ประกอบเชิงตรรกะส่วนบุคคล-เซลล์ประสาท เซลล์ประสาทแต่ละตัวสามารถรู้สึกตื่นเต้นเมื่อสัญญาณมาถึงอินพุต ( แอกซอน) จากเอาต์พุต ( เดนไดรต์) เซลล์ประสาทอื่นๆ ที่เชื่อมต่อโดยตรงกับเซลล์ประสาทนั้น เมื่อรู้สึกตื่นเต้น เซลล์ประสาทนี้อยู่ในสถานะตื่นเต้น (!!! และไม่มีประจุ) และส่งการกระตุ้นผ่านเอาต์พุตไปยังอินพุตขององค์ประกอบเชิงตรรกะต่อไปนี้ - เซลล์ประสาท

เซลล์ประสาท– เซลล์ประสาทชนิดพิเศษที่มีเยื่อหุ้มของตัวเอง ชุดของออร์แกเนลล์ภายในเซลล์ และนิวโรไฟบริล แอกซอนกระบวนการตามแนวแกนยาวและเดนไดรต์ที่มีกิ่งก้านสั้นยื่นออกมาจากลำตัว เดนไดรต์ที่ได้รับแรงกระตุ้นเส้นประสาทจากเซลล์ประสาทอื่นจะถ่ายโอนพวกมันไปยังแอกซอน ซึ่งการกระตุ้นจะแพร่กระจายไปโดยไม่ลดทอนไปยังเซลล์ประสาทหรือเอฟเฟกต์อื่น ๆ - อวัยวะบริหารประเภทต่างๆ (ต่อม กล้ามเนื้อ ฯลฯ) พจนานุกรม - คู่มือนักกีฏวิทยา ฉันจะเน้นไซแนปส์ด้วย ไซแนปส์- ตำแหน่งที่สัมผัสกันระหว่างเซลล์ประสาททั้งสองหรือระหว่างเซลล์ประสาทกับเซลล์เอฟเฟกต์ที่รับสัญญาณ ทำหน้าที่ส่งกระแสประสาทระหว่างสองเซลล์

นี่คือสิ่งที่วิทยาศาสตร์รู้เกี่ยวกับวิธีการทำงานของเซลล์ประสาท ความรู้อื่นๆ ทั้งหมดขึ้นอยู่กับการจำแนกประเภทของเซลล์ประสาทตามประเภท ขนาด จำนวนส่วนหาง และอื่นๆ คุณสมบัติที่สำคัญ- แน่นอนว่ามีข้อสรุปจำนวนมากที่วาดขึ้นบนพื้นฐานของแนวคิดที่ผิดพลาดโดยพื้นฐาน ธรรมชาติทางไฟฟ้าแรงกระตุ้นของเส้นประสาท

ทีนี้ลองตั้งสมมติฐานสองข้อ
อันดับแรก– ข้อมูล (การกระตุ้น) ถูกส่งจากเซลล์ประสาทไปยังเซลล์ประสาทในรูปของคลื่นเสียง (เสียง)
ที่สอง– เซลล์ประสาทเป็นระบบออสซิลลาทอรีเดี่ยว ( วงจรการสั่น) และสามารถปรับจูนได้ตั้งแต่หนึ่งรายการขึ้นไป ความถี่เรโซแนนซ์และอยู่ในสภาพสั่นไหวด้วยตนเองจึงมั่นใจได้ว่าจะมีการท่องจำ (การจัดเก็บ) ข้อมูล
แรงกระตุ้นของเส้นประสาทก็เป็นเพียงคลื่นเสียงที่ส่งผ่านเดนไดรต์และแอกซอนของเซลล์ประสาท ร่างกายของเซลล์ประสาทเองเป็นตัวแทนของวงจรการสั่นทางเสียงหรือตัวสะท้อนเสียง ซึ่งในกรณีของการส่งข้อมูลนั้น สามารถปรับแรงกระตุ้นของเส้นประสาทที่ส่งผ่านได้ และในกรณีของการจัดเก็บข้อมูล จะอยู่ในสถานะการสั่นของตัวเองที่ ความถี่ที่แน่นอน หรือสมมติว่าหากต้องการใช้ฟังก์ชันการบันทึก เซลล์จะเปลี่ยนพารามิเตอร์การสั่นพ้องและยังคงสงบอยู่ และตอบสนองเมื่อได้รับการแก้ไขเท่านั้น

มาดูกันว่าทั้งหมดนี้ทำงานอย่างไรโดยใช้ตัวอย่างของรูป......

R1-Rn - ตัวรับ ข้อมูลจากตัวรับส่งผ่านอินพุต - เดนไดรต์ผ่านร่างกายของเซลล์ประสาทไปยังเอาต์พุต - แอกซอน หน้าที่ของระบบประสาทคือการถ่ายทอดข้อมูลจากตัวรับไปยังสมอง ในวงจรที่ง่ายที่สุดที่แสดงในรูปที่ 1 สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อสัญญาณสามารถแยกแยะได้เป็นรายบุคคล นั่นคือสัญญาณเอาท์พุตจะนำข้อมูลเกี่ยวกับตัวรับเฉพาะซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของแรงกระตุ้นเส้นประสาท สมมติว่าในกรณีของเรา แรงกระตุ้นของเส้นประสาทมีความถี่ต่างกัน

ตอนนี้เรามาทำให้งานยากขึ้นมาก สมมติว่าแรงกระตุ้นของเส้นประสาทถูกส่งจากตัวรับผ่านลำดับของเซลล์ประสาท ตัวอย่างเช่น สอง ดูรูปที่ 2
ในตัวอย่างนี้ แรงกระตุ้นเส้นประสาทที่เอาท์พุตของวงจรจะต้องมีข้อมูลไม่เพียงแต่เกี่ยวกับตัวรับที่มันมาเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเซลล์ประสาททั้งหมดที่มันถูกส่งผ่านด้วย สันนิษฐานได้ว่าเซลล์ประสาทแต่ละอันที่เกี่ยวข้องกับการส่งแรงกระตุ้นจะนำส่วนประกอบข้อมูลของตัวเองมาด้วย ตัวอย่างเช่น การมอดูเลตสัญญาณความถี่ที่มาจากตัวรับ

แรงกระตุ้นของเส้นประสาททั้งหมดมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว เช่น บาร์โค้ดบนสินค้าในซูเปอร์มาร์เก็ต เช่น ลายนิ้วมือ พวกมันมีเอกลักษณ์เฉพาะและมีข้อมูลเกี่ยวกับข้อเท็จจริงของการระคายเคืองของตัวรับและเส้นทางการเดินทาง
กระแสประสาทหลายล้านเส้นพุ่งผ่านระบบประสาทของมนุษย์ทุก ๆ วินาที โครงการที่เสนอข้างต้นช่วยให้เราสามารถอธิบายว่าแรงกระตุ้นที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงสามารถส่งผ่านช่องทางประสาทเดียวกันได้อย่างไร และบริการกระจายแรงกระตุ้นสามารถทำงานได้อย่างไร

สมมติฐานดังกล่าวบอกอะไรเราบ้าง?

• ประการแรก แนวคิดเกี่ยวกับเสียงทำให้เรามีความเป็นไปได้ไม่มากก็น้อย จากมุมมองของฟิสิกส์ ทฤษฎีการถ่ายโอนข้อมูลภายในสิ่งมีชีวิต
• ประการที่สอง อธิบายวิธีการจัดเก็บข้อมูลในสมอง
• ประการที่สาม ทำให้สามารถอธิบายปรากฏการณ์ชีวิตที่ไม่สามารถเข้าใจได้ในขณะนี้ และเป็นเครื่องมือสำหรับความรู้ด้วยตนเอง
• ประการที่สี่นี้ กระบวนทัศน์ใหม่ในทางการแพทย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการบำบัด

คำถามเชิงวาทศิลป์: อะไรคือสาเหตุของโรค, พยาธิสภาพของอวัยวะหรือพยาธิสภาพของสัญญาณที่ควบคุมอวัยวะ? ตามทฤษฎีแล้ว เป็นไปได้ทั้งสองอย่าง และมีความน่าจะเป็นเท่ากัน แล้วการบำบัดสมัยใหม่รักษาอะไรได้บ้าง (การผ่าตัดชัดเจนกว่า)? และบางทียาหลอกและโฮมีโอพาธีย์ซึ่งแพทย์ "ตัวจริง" หัวเราะอย่างสุภาพนั้น ไม่ใช่ความโง่เขลาที่เกิดจากการสะกดจิตตัวเองของผู้ป่วย แต่เป็นการรักษาที่แม่นยำโดยการปรับระบบควบคุม การรักษาเป็นทางอ้อมผ่านการทำงานภายนอกของสมอง แต่จะเป็นอย่างไรหากการรักษาสามารถทำได้ผ่าน ตัวอย่างเช่น เรามาจำเครื่องกระตุ้นหัวใจแบบใช้แบตเตอรี่สมัยใหม่กัน และถ้าคุณกระตุ้นหัวใจไม่ใช่ด้วยแรงกระตุ้นไฟฟ้าตามหลักการ “ ” แต่ด้วยสัญญาณควบคุม (คลื่นเสียง) ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ บางทีการผ่าตัดอาจไม่จำเป็น แค่ใช้เครื่องกำเนิดเสียงกับส่วนใดๆ ของร่างกายหรือกับเซลล์ประสาทใดๆ ก็เพียงพอแล้ว และสัญญาณก็จะค้นหาเป้าหมายของมันเอง

ผู้สมัครสาขาวิทยาศาสตร์ชีวภาพ แอล. ชัยลักษณ์ นักวิจัยจากสถาบันชีวฟิสิกส์แห่งสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งสหภาพโซเวียต

ผู้อ่านนิตยสาร L. Gorbunova (หมู่บ้าน Tsybino ภูมิภาคมอสโก) เขียนถึงเราว่า “ฉันสนใจกลไกการส่งสัญญาณผ่านเซลล์ประสาท”

ผู้ได้รับรางวัล รางวัลโนเบล 1963 (จากซ้ายไปขวา): เอ. ฮอดจ์กิน, อี. ฮักซ์ลีย์, ดี. เอ็กเคิลส์

ความคิดของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับกลไกการส่งกระแสประสาทได้เกิดขึ้นแล้ว เมื่อเร็วๆ นี้การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ มุมมองของเบิร์นสไตน์ครอบงำวิทยาศาสตร์

สมองของมนุษย์นั้นไม่ต้องสงสัยเลย ความสำเร็จสูงสุดธรรมชาติ. เนื้อเยื่อประสาทหนึ่งกิโลกรัมประกอบด้วยแก่นสารของบุคคลทั้งหมด เริ่มต้นจากการควบคุมการทำงานที่สำคัญ - การทำงานของหัวใจ, ปอด, ระบบย่อยอาหาร, ตับ - และสิ้นสุดด้วยโลกแห่งจิตวิญญาณของเขา นี่คือความสามารถในการคิดของเรา การรับรู้โลกทั้งหมด ความทรงจำ เหตุผล การตระหนักรู้ในตนเองของเรา “ฉัน” ของเรา การรู้กลไกการทำงานของสมองคือการรู้จักตัวเอง

เป้าหมายนั้นยิ่งใหญ่และน่าดึงดูด แต่เป้าหมายของการวิจัยนั้นซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อ ล้อเล่นนะ ผ้ากิโลกรัมนี้เป็นตัวแทน ระบบที่ซับซ้อนที่สุดการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาทนับหมื่นล้านเซลล์

อย่างไรก็ตาม ก้าวแรกที่สำคัญในการทำความเข้าใจวิธีการทำงานของสมองได้ดำเนินไปแล้ว อาจเป็นหนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุด แต่สำคัญอย่างยิ่งสำหรับทุกสิ่งที่ตามมา

ฉันหมายถึงการศึกษากลไกการส่งกระแสประสาท - สัญญาณที่วิ่งไปตามเส้นประสาทราวกับผ่านสายไฟ สัญญาณเหล่านี้เป็นตัวอักษรของสมองด้วยความช่วยเหลือซึ่งอวัยวะรับสัมผัสส่งไปยังส่วนกลาง ระบบประสาทข้อมูลเกี่ยวกับเหตุการณ์ในโลกภายนอก สมองเข้ารหัสคำสั่งไปยังกล้ามเนื้อและสิ่งต่างๆ ด้วยแรงกระตุ้นของเส้นประสาท อวัยวะภายใน- ในที่สุด เซลล์ประสาทและศูนย์ประสาทแต่ละแห่งจะพูดภาษาของสัญญาณเหล่านี้

เซลล์ประสาทซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของสมอง มีขนาดและรูปร่างแตกต่างกันไป แต่โดยหลักการแล้ว เซลล์ประสาทมีโครงสร้างเดียว เซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ประกอบด้วยสามส่วน: ร่างกาย เส้นใยประสาทยาว - แอกซอน (ความยาวของมนุษย์มีตั้งแต่หลายมิลลิเมตรถึงหนึ่งเมตร) และกระบวนการแตกแขนงสั้น ๆ หลายกระบวนการ - เดนไดรต์ เซลล์ประสาทถูกแยกออกจากกันด้วยเยื่อหุ้มเซลล์ แต่เซลล์ยังคงมีปฏิสัมพันธ์กัน สิ่งนี้เกิดขึ้นที่ทางแยกของเซลล์ ทางแยกนี้เรียกว่า "ไซแนปส์" ที่ไซแนปส์ แอกซอนของเซลล์ประสาทหนึ่งและร่างกายหรือเดนไดรต์ของอีกเซลล์หนึ่งมาบรรจบกัน ยิ่งกว่านั้นเป็นเรื่องน่าสนใจที่การกระตุ้นสามารถส่งผ่านในทิศทางเดียวเท่านั้น: จากแอกซอนไปยังร่างกายหรือเดนไดรต์ แต่ไม่ว่าในกรณีใด ไซแนปส์ก็เหมือนกับคีโนตรอน: มันส่งสัญญาณไปในทิศทางเดียวเท่านั้น

ในปัญหาของการศึกษากลไกของแรงกระตุ้นเส้นประสาทและการแพร่กระจายของมันสามารถแยกแยะคำถามหลักสองข้อ: ธรรมชาติของการนำกระแสประสาทหรือการกระตุ้นภายในเซลล์เดียว - ตามแนวเส้นใยและกลไกของการส่งแรงกระตุ้นเส้นประสาท จากเซลล์หนึ่งไปอีกเซลล์ - ผ่านไซแนปส์

ลักษณะของสัญญาณที่ส่งจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์ตามเส้นใยประสาทเป็นอย่างไร?

ผู้คนสนใจปัญหานี้มาเป็นเวลานาน เดส์การตส์สันนิษฐานว่าการแพร่กระจายของสัญญาณเกี่ยวข้องกับการถ่ายของเหลวผ่านเส้นประสาทราวกับผ่านท่อ นิวตันคิดว่ามันเป็นกระบวนการทางกลล้วนๆ ปรากฏเมื่อใด. ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้านักวิทยาศาสตร์ตัดสินใจว่าแรงกระตุ้นของเส้นประสาทนั้นคล้ายกับการเคลื่อนที่ของกระแสผ่านตัวนำด้วยความเร็วใกล้กับความเร็วของการแพร่กระจายของการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้า ในที่สุดด้วยการพัฒนาทางชีวเคมีก็มีมุมมองหนึ่งว่าการเคลื่อนไหวของแรงกระตุ้นเส้นประสาทคือการแพร่กระจายไปตามเส้นใยประสาทของปฏิกิริยาทางชีวเคมีพิเศษ

แต่ความคิดเหล่านี้กลับไม่เกิดผลเลย

ปัจจุบันธรรมชาติของแรงกระตุ้นเส้นประสาทได้ถูกเปิดเผยแล้ว: มันเป็นกระบวนการเคมีไฟฟ้าที่ละเอียดอ่อนอย่างน่าประหลาดใจ ซึ่งขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของไอออนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์

งานของนักวิทยาศาสตร์สามคนมีส่วนสำคัญในการค้นพบธรรมชาตินี้: Alan Hodgkin ศาสตราจารย์ด้านชีวฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์; Andrew Huxley ศาสตราจารย์ด้านสรีรวิทยา มหาวิทยาลัยลอนดอน และ John Eccles ศาสตราจารย์ด้านสรีรวิทยา มหาวิทยาลัยแคนเบอร์รา ประเทศออสเตรเลีย พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาการแพทย์ในปี 1963

นักสรีรวิทยาชาวเยอรมันผู้มีชื่อเสียง เบิร์นสไตน์ เป็นคนแรกที่เสนอแนะลักษณะทางเคมีไฟฟ้าของแรงกระตุ้นเส้นประสาทเมื่อต้นศตวรรษนี้

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 มีคนรู้เรื่องการกระตุ้นประสาทค่อนข้างมาก นักวิทยาศาสตร์รู้อยู่แล้วว่าเส้นใยประสาทสามารถถูกกระตุ้นด้วยกระแสไฟฟ้าได้ และการกระตุ้นมักจะเกิดขึ้นภายใต้แคโทด - ใต้เครื่องหมายลบ เป็นที่ทราบกันว่าบริเวณที่ตื่นเต้นของเส้นประสาทนั้นมีประจุลบสัมพันธ์กับบริเวณที่ไม่ตื่นเต้น พบว่าแรงกระตุ้นเส้นประสาทในแต่ละจุดมีเพียง 0.001-0.002 วินาที ซึ่งขนาดการกระตุ้นไม่ได้ขึ้นอยู่กับความแรงของการระคายเคือง เช่นเดียวกับระดับเสียงของกระดิ่งในอพาร์ตเมนต์ของเราไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าเรากดแรงแค่ไหน ปุ่ม ในที่สุดนักวิทยาศาสตร์ก็พบว่าพาหะ กระแสไฟฟ้าในเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตคือไอออน นอกจากนี้ภายในเซลล์อิเล็กโทรไลต์หลักคือเกลือโพแทสเซียมและเกลือโซเดียมในของเหลวในเนื้อเยื่อ ภายในเซลล์ส่วนใหญ่ ความเข้มข้นของโพแทสเซียมไอออนจะสูงกว่าในเลือดและของเหลวระหว่างเซลล์ที่ล้างเซลล์ถึง 30-50 เท่า

และจากข้อมูลทั้งหมดนี้ เบิร์นสไตน์แนะนำว่าเยื่อหุ้มของเซลล์ประสาทและกล้ามเนื้อเป็นเยื่อหุ้มชนิดพิเศษที่สามารถซึมผ่านได้ สามารถซึมผ่านได้เฉพาะกับ K + ไอออนเท่านั้น สำหรับไอออนอื่นๆ ทั้งหมด รวมถึงแอนไอออนที่มีประจุลบภายในเซลล์ เส้นทางจะถูกปิด เป็นที่ชัดเจนว่าโพแทสเซียมตามกฎของการแพร่กระจายมีแนวโน้มที่จะออกจากเซลล์แอนไอออนส่วนเกินจะปรากฏในเซลล์และความต่างที่อาจเกิดขึ้นจะปรากฏที่ทั้งสองด้านของเมมเบรน: ภายนอก - บวก (ไอออนบวกส่วนเกิน) ข้างใน - ลบ (แอนไอออนส่วนเกิน) ความต่างศักย์นี้เรียกว่าศักยภาพในการพัก ดังนั้น ในเวลาที่เหลือ ในสภาวะไม่ตื่นเต้น ภายในเซลล์จะมีประจุลบเสมอเมื่อเปรียบเทียบกับสารละลายภายนอก

เบิร์นสไตน์แนะนำว่าในขณะที่กระตุ้นเส้นใยประสาท การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจะเกิดขึ้นในเยื่อหุ้มพื้นผิว รูขุมขนของมันดูเหมือนจะเพิ่มขึ้น และไอออนทั้งหมดจะซึมผ่านได้ ในกรณีนี้ ความต่างที่อาจเกิดขึ้นจะหายไปตามธรรมชาติ ทำให้เกิดสัญญาณประสาท

ทฤษฎีเมมเบรนของเบิร์นสไตน์ได้รับการยอมรับอย่างรวดเร็วและดำรงอยู่มานานกว่า 40 ปี จนถึงกลางศตวรรษของเรา

แต่เมื่อถึงปลายทศวรรษที่ 30 ทฤษฎีของเบิร์นสไตน์ก็พบกับความขัดแย้งที่ผ่านไม่ได้ เกิดเหตุระเบิดครั้งใหญ่ในปี 1939 โดยการทดลองอันละเอียดอ่อนของฮอดจ์กินและฮักซ์ลีย์ นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้เป็นคนแรกที่วัดค่าสัมบูรณ์ของศักยภาพของเมมเบรนของเส้นใยประสาทที่อยู่นิ่งและระหว่างการกระตุ้น ปรากฎว่าเมื่อกระตุ้น ศักยภาพของเมมเบรนไม่เพียงลดลงเหลือศูนย์ แต่ยังข้ามศูนย์ไปหลายสิบมิลลิโวลต์ นั่นคือส่วนด้านในของเส้นใยเปลี่ยนจากลบเป็นบวก

แต่การโค่นล้มทฤษฎีหนึ่งยังไม่เพียงพอ เราต้องแทนที่ด้วยทฤษฎีอื่น: วิทยาศาสตร์ไม่ยอมให้มีสุญญากาศ และข้อเสนอของ Hodgkin, Huxley, Katz ในปี 1949-1953 ทฤษฎีใหม่- มันถูกเรียกว่าโซเดียม

ที่นี่ผู้อ่านมีสิทธิ์ที่จะแปลกใจ: จนถึงขณะนี้ยังไม่มีการพูดถึงโซเดียม นั่นคือประเด็นทั้งหมด นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบด้วยความช่วยเหลือของอะตอมที่มีป้ายกำกับว่าไม่เพียงแต่โพแทสเซียมไอออนและแอนไอออนเท่านั้นที่เกี่ยวข้องกับการส่งกระแสประสาท แต่ยังรวมถึงไอออนของโซเดียมและคลอรีนด้วย

มีโซเดียมและคลอรีนไอออนในร่างกายเพียงพอ ทุกคนรู้ดีว่าเลือดมีรสเค็ม นอกจากนี้ ของเหลวระหว่างเซลล์ยังมีโซเดียมมากกว่าภายในเส้นใยประสาทถึง 5-10 เท่า

สิ่งนี้อาจหมายถึงอะไร? นักวิทยาศาสตร์แนะนำว่าเมื่อถูกกระตุ้นในช่วงแรกการซึมผ่านของเมมเบรนกับโซเดียมจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเท่านั้น ความสามารถในการซึมผ่านจะมากกว่าโพแทสเซียมไอออนหลายสิบเท่า และเนื่องจากมีโซเดียมภายนอกมากกว่าภายในถึง 5-10 เท่า จึงมีแนวโน้มที่จะเข้าสู่เส้นใยประสาท จากนั้นด้านในของเส้นใยจะกลายเป็นค่าบวก

และหลังจากนั้นครู่หนึ่ง - หลังจากการกระตุ้น - ความสมดุลกลับคืนมา: เมมเบรนเริ่มปล่อยให้โพแทสเซียมไอออนผ่านไป และพวกเขาก็ออกไปข้างนอก ดังนั้นพวกมันจึงชดเชยประจุบวกที่โซเดียมไอออนนำเข้าสู่เส้นใย

ไม่ใช่เรื่องง่ายเลยที่จะมีแนวคิดเช่นนี้ และนี่คือเหตุผล: เส้นผ่านศูนย์กลางของโซเดียมไอออนในสารละลายมีขนาดใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของโพแทสเซียมและคลอรีนไอออนถึงหนึ่งเท่าครึ่ง และยังไม่ชัดเจนว่าไอออนขนาดใหญ่ผ่านไปได้อย่างไร โดยที่ไอออนขนาดเล็กผ่านไม่ได้

จำเป็นต้องเปลี่ยนมุมมองเกี่ยวกับกลไกการเปลี่ยนไอออนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์อย่างรุนแรง เห็นได้ชัดว่าการให้เหตุผลเกี่ยวกับรูขุมขนในเมมเบรนเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ จากนั้นแนวคิดก็ถูกหยิบยกขึ้นมาว่าไอออนสามารถข้ามเมมเบรนในลักษณะที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงด้วยความช่วยเหลือจากพันธมิตรลับในขณะนี้ - โมเลกุลพาหะอินทรีย์พิเศษที่ซ่อนอยู่ในเมมเบรนนั่นเอง ด้วยความช่วยเหลือของโมเลกุลดังกล่าว ไอออนสามารถผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ทุกที่ ไม่ใช่แค่ผ่านรูขุมขนเท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้น โมเลกุลของแท็กซี่เหล่านี้แยกแยะผู้โดยสารได้ดี พวกมันไม่สับสนระหว่างโซเดียมไอออนกับโพแทสเซียมไอออน

จากนั้นภาพรวมของการแพร่กระจายของแรงกระตุ้นเส้นประสาทจะเป็นดังนี้ ในช่วงเวลาที่เหลือ โมเลกุลพาหะซึ่งมีประจุลบ จะถูกกดไปที่ขอบเขตด้านนอกของเมมเบรนโดยศักย์ของเมมเบรน ดังนั้นความสามารถในการซึมผ่านของโซเดียมจึงน้อยมาก: น้อยกว่าโพแทสเซียมไอออน 10-20 เท่า โพแทสเซียมสามารถผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ผ่านรูขุมขนได้ เมื่อคลื่นกระตุ้นเข้าใกล้ ความดันจะลดลง สนามไฟฟ้าบนโมเลกุลพาหะ พวกเขาสลัด "ห่วง" ไฟฟ้าสถิตออกและเริ่มถ่ายโอนไอออนโซเดียมเข้าไปในเซลล์ ซึ่งจะช่วยลดศักยภาพของเมมเบรนอีกด้วย มีกระบวนการลูกโซ่ในการชาร์จเมมเบรน และกระบวนการนี้จะแพร่กระจายไปตามเส้นใยประสาทอย่างต่อเนื่อง

สิ่งที่น่าสนใจคือเส้นใยประสาทใช้เวลาเพียงประมาณ 15 นาทีต่อวันในการทำงานหลัก ซึ่งก็คือการนำกระแสประสาท อย่างไรก็ตาม เส้นใยก็พร้อมสำหรับสิ่งนี้ทุกวินาที: องค์ประกอบทั้งหมดของเส้นใยประสาททำงานโดยไม่หยุดชะงัก - ตลอด 24 ชั่วโมง เส้นใยประสาทในแง่นี้มีความคล้ายคลึงกับเครื่องบินสกัดกั้น ซึ่งเครื่องยนต์ทำงานตลอดเวลาเพื่อออกเดินทางทันที แต่การออกเดินทางนั้นจะเกิดขึ้นได้ทุกๆ สองสามเดือนเท่านั้น

ตอนนี้เราคุ้นเคยกับครึ่งแรกของการกระทำลึกลับในการส่งกระแสประสาทไปตามเส้นใยเดียวแล้ว การกระตุ้นถูกส่งจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์ผ่านทางแยก - ไซแนปส์อย่างไร? คำถามนี้ได้รับการตรวจสอบในการทดลองอันชาญฉลาดของครั้งที่สาม ผู้ได้รับรางวัลโนเบล, จอห์น เอ็กเคิลส์.

การกระตุ้นไม่สามารถถ่ายโอนโดยตรงจากปลายประสาทของเซลล์หนึ่งไปยังร่างกายหรือเดนไดรต์ของเซลล์อื่นได้ กระแสเกือบทั้งหมดไหลผ่านรอยแยกไซแนปส์เข้าไปในของเหลวด้านนอก และกระแสเพียงเล็กน้อยจะเข้าสู่เซลล์ข้างเคียงผ่านทางไซแนปส์ ซึ่งไม่สามารถทำให้เกิดการกระตุ้นได้ ดังนั้นในพื้นที่ของไซแนปส์ความต่อเนื่องทางไฟฟ้าในการแพร่กระจายของแรงกระตุ้นเส้นประสาทจึงหยุดชะงัก ที่นี่ที่ทางแยกของสองเซลล์กลไกที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงมีผลใช้บังคับ

เมื่อการกระตุ้นเข้าใกล้จุดสิ้นสุดของเซลล์ซึ่งเป็นตำแหน่งของไซแนปส์ พวกมันจะถูกปล่อยทางสรีรวิทยาออกสู่ของเหลวระหว่างเซลล์ สารออกฤทธิ์- คนกลางหรือคนกลาง พวกมันกลายเป็นลิงค์ในการถ่ายโอนข้อมูลจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง ผู้ไกล่เกลี่ยทำปฏิกิริยาทางเคมีกับเซลล์ประสาทที่สองเปลี่ยนการซึมผ่านของไอออนิกของเมมเบรน - ราวกับว่าเจาะรูที่มีไอออนจำนวนมากพุ่งเข้ามารวมถึงโซเดียมไอออนด้วย

ดังนั้นด้วยการทำงานของ Hodgkin, Huxley และ Eccles ทำให้สถานะที่สำคัญที่สุดของเซลล์ประสาท - การกระตุ้นและการยับยั้ง - สามารถอธิบายได้ในแง่ของกระบวนการไอออนิกในแง่ของการจัดเรียงโครงสร้างและทางเคมีใหม่ของเยื่อหุ้มพื้นผิว จากผลงานเหล่านี้ เป็นไปได้ที่จะตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับกลไกที่เป็นไปได้ของความจำระยะสั้นและระยะยาว และเกี่ยวกับคุณสมบัติทางพลาสติกของเนื้อเยื่อประสาท อย่างไรก็ตาม นี่คือการสนทนาเกี่ยวกับกลไกภายในเซลล์ตั้งแต่หนึ่งเซลล์ขึ้นไป นี่เป็นเพียง ABC ของสมอง เห็นได้ชัดว่าขั้นตอนต่อไปที่อาจยากกว่ามากคือการค้นพบกฎที่ใช้สร้างกิจกรรมประสานงานของเซลล์ประสาทนับพันเซลล์ การจดจำภาษาที่ศูนย์ประสาทพูดกันเอง

จากความรู้เรื่องการทำงานของสมอง ตอนนี้เราอยู่ในระดับเด็กที่ได้เรียนรู้ตัวอักษรแต่ไม่รู้ว่าจะเชื่อมโยงมันออกมาเป็นคำพูดได้อย่างไร อย่างไรก็ตาม เวลานั้นอยู่ไม่ไกลนักเมื่อนักวิทยาศาสตร์ใช้รหัส - การกระทำทางชีวเคมีเบื้องต้นเกิดขึ้น เซลล์ประสาทจะอ่านบทสนทนาที่น่าหลงใหลที่สุดระหว่าง ศูนย์ประสาทสมอง

คำอธิบายโดยละเอียดของภาพประกอบ

ความคิดของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับกลไกการส่งกระแสประสาทมีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญเมื่อเร็วๆ นี้ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ มุมมองของเบิร์นสไตน์ครอบงำวิทยาศาสตร์ ในความเห็นของเขา ในสภาวะพัก (1) เส้นใยประสาทจะมีประจุบวกจากด้านนอกและประจุลบจากด้านใน สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่ามีเพียงโพแทสเซียมไอออนที่มีประจุบวก (K +) เท่านั้นที่สามารถผ่านรูขุมขนในผนังไฟเบอร์ได้ แอนไอออนที่มีประจุลบขนาดใหญ่ (A –) ถูกบังคับให้อยู่ภายในและสร้างประจุลบส่วนเกิน การกระตุ้น (3) ตามคำกล่าวของเบิร์นสไตน์จะลดลงจนกระทั่งความต่างศักย์หายไป ซึ่งเกิดจากการที่ขนาดรูพรุนเพิ่มขึ้น แอนไอออนจะออกมาและทำให้สมดุลของไอออนิกเท่ากัน จำนวนไอออนบวกจะเท่ากับจำนวนไอออนลบ คน ผลงานของ A. Hodgkin, E. Huxley และ D. Eccles ผู้ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1963 ได้เปลี่ยนแปลงแนวคิดเดิมของเรา ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าไอออนโซเดียมเชิงบวก (Na +) ไอออนคลอรีนเชิงลบ (Cl –) และโมเลกุลพาหะที่มีประจุลบก็มีส่วนเกี่ยวข้องในการกระตุ้นประสาทเช่นกัน สถานะพัก (3) ถูกสร้างขึ้นตามหลักการในลักษณะเดียวกับที่คิดไว้ก่อนหน้านี้: ไอออนบวกส่วนเกินอยู่นอกเส้นใยประสาทและมีไอออนลบมากเกินไปอยู่ข้างใน อย่างไรก็ตาม มีการพิสูจน์แล้วว่าในระหว่างการกระตุ้น (4) ไม่ใช่การทำให้ประจุเท่ากันที่เกิดขึ้น แต่เป็นการชาร์จใหม่: ไอออนลบส่วนเกินจะเกิดขึ้นภายนอก และไอออนบวกส่วนเกินภายใน สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่อตื่นเต้น โมเลกุลของพาหะจะเริ่มส่งไอออนโซเดียมบวกผ่านผนัง ดังนั้นแรงกระตุ้นเส้นประสาท (5) จึงเป็นการชาร์จประจุไฟฟ้าสองชั้นที่เคลื่อนที่ไปตามเส้นใย และจากเซลล์หนึ่งไปอีกเซลล์หนึ่ง การกระตุ้นจะถูกส่งโดยสารเคมีชนิดหนึ่ง "ตัวทุบตี" (6) - โมเลกุลอะซิติลโคลีนซึ่งช่วยให้ไอออนทะลุผนังของเส้นใยประสาทที่อยู่ใกล้เคียง