Tế bào thần kinh dòng năng lượng. Mô hình hóa hoạt động điện của tế bào thần kinh

Mizun Yu., Mizun P. G. KHÔNG GIAN VÀ SỨC KHỎE

Chúng ta phải xem xét từ trường có thể ảnh hưởng như thế nào đến cơ thể con người, những cách (cơ chế) có thể có của ảnh hưởng này là gì. Để làm được điều này, chúng ta cần hiểu điện và từ đóng vai trò gì trong đời sống của cơ thể. Xét cho cùng, từ trường bên ngoài có thể tác dụng lên dòng điện và điện tích, hoặc lên nam châm có trong cơ thể con người.

Chúng ta hãy xem xét cách cơ thể con người hoạt động theo quan điểm này, cụ thể là: dòng điện và điện tích, cũng như từ trường, đóng vai trò gì trong cuộc sống của nó.

Thực tế là ở người, cũng như ở bất kỳ sinh vật sống nào, đều có dòng điện, được gọi là dòng điện sinh học (tức là dòng điện trong hệ thống sinh học), đã được biết đến từ lâu. Những dòng điện này, giống như bất kỳ dòng điện nào, thể hiện sự chuyển động có trật tự của các điện tích, và theo nghĩa này, chúng không khác gì dòng điện trong mạng điện. Vai trò của dòng điện sinh học trong hoạt động của cơ thể con người là rất lớn.

Vai trò của điện tích (electron và ion) trong hoạt động của cơ thể cũng rất quan trọng. Chúng là những chất điều hòa các đoạn màng tế bào dẫn từ tế bào ra bên ngoài và từ bên ngoài vào trong tế bào, từ đó quyết định mọi quá trình cơ bản của sự sống tế bào.

Ngoài dòng điện và điện tích, cơ thể sống còn có những nam châm nhỏ. Đây là những phân tử của các mô cơ thể, chủ yếu là các phân tử nước. Được biết, hai nam châm tương tác với nhau. Đó là lý do tại sao kim từ trong từ trường của một nam châm khác là Trái đất, quay đầu phía nam của nó về phía bắc của nam châm Trái đất. Tương tự như vậy, các nam châm nhỏ trong cơ thể - các phân tử - có thể quay dưới tác dụng của một nam châm bên ngoài. Từ trường bên ngoài sẽ định hướng các phân tử theo một cách nhất định và điều này sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của cơ thể. Trong cơ thể sống có những phân tử khổng lồ bao gồm hàng nghìn, hàng triệu phân tử bình thường. Tính chất của các đại phân tử này cũng phụ thuộc vào cách chúng định hướng trong không gian. Điều này quyết định hiệu suất của họ đối với các chức năng nhất định trong cơ thể. Nếu các đại phân tử như vậy có mô men từ (tức là nam châm), chẳng hạn như phân tử DNA, thì dưới tác động của sự thay đổi từ trường Trái đất hoặc bất kỳ từ trường bên ngoài nào khác, các phân tử sẽ được định hướng khác so với khi không có trường này . Vì chúng đi chệch khỏi hướng mong muốn nên chúng không thể thực hiện chức năng của mình một cách bình thường được nữa. Cơ thể con người phải chịu đựng điều này.

Hệ thống tuần hoàn là một hệ thống dẫn dòng điện, tức là nó là chất dẫn điện. Vật lý học đã biết rằng nếu một dây dẫn chuyển động trong từ trường thì sẽ xuất hiện một dòng điện trong dây dẫn này. Dòng điện cũng xuất hiện nếu dây dẫn đứng yên và từ trường nơi nó đặt thay đổi theo thời gian. Điều này có nghĩa là khi di chuyển trong từ trường, ngoài các dòng điện sinh học hữu ích trong cơ thể con người (và bất kỳ động vật nào), các dòng điện bổ sung sẽ phát sinh ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của chính cơ thể. Khi một con chim đang bay và đi qua các đường sức từ, dòng điện sẽ xuất hiện trong hệ tuần hoàn của nó, dòng điện này phụ thuộc vào hướng chuyển động của nó so với hướng của từ trường. Do đó, chim di chuyển trong không gian nhờ từ trường Trái đất. Khi có bão từ, từ trường thay đổi theo thời gian và điều này sẽ tạo ra dòng điện sinh học trong cơ thể.

Nếu dùng thuật ngữ của những người nghiệp dư vô tuyến thì có thể nói rằng dòng điện được tạo ra trong cơ thể con người. Những người nghiệp dư vô tuyến và các chuyên gia vô tuyến biết bí quyết loại bỏ những nhiễu này trên các mạch vô tuyến, bởi vì chỉ bằng cách loại bỏ những nhiễu này thì thiết bị vô tuyến mới có thể hoạt động bình thường.

Cơ thể con người, về độ phức tạp không thể so sánh với bất kỳ mạch vô tuyến phức tạp nhất nào, không được ai bảo vệ khỏi sự can thiệp phát sinh trong đó khi có bão mặt trời và bão từ.

A. L. Chizhevsky đã viết vào năm 1936: “Bây giờ chúng ta phải đối mặt với một câu hỏi khác: làm thế nào để bảo vệ một người khỏi tác động chết người của môi trường nếu nó liên quan đến điện trong khí quyển và bức xạ điện từ? Làm thế nào để bảo vệ người bệnh trải qua quá trình bệnh tật? Rốt cuộc, rõ ràng là nếu cuộc khủng hoảng diễn ra an toàn - và cuộc khủng hoảng đôi khi chỉ kéo dài một hoặc hai ngày, một người sẽ sống thêm hàng chục năm nữa... Đúng vậy, vật lý biết cách bảo vệ một người khỏi những ảnh hưởng có hại như vậy của Mặt trời hoặc những thứ tương tự, bất kể chúng đến từ đâu. Vị cứu tinh ở đây là kim loại…”

A.L. Chizhevsky, đề xuất đặt bệnh nhân trong thời kỳ bão mặt trời trong các khu được che chắn bằng các tấm kim loại, viết thêm: “Khu vực như vậy phải được bao phủ cả sáu mặt bằng một lớp kim loại có độ dày thích hợp và khả năng chống thấm thích hợp mà không có một lỗ nào. Lối vào và lối ra phải đảm bảo rằng bức xạ có hại không xâm nhập vào bên trong, điều này có thể dễ dàng đạt được nhờ mặt trước được bọc thép tốt với hai cửa. Nhà vệ sinh cũng phải được bọc thép mọi phía và liền kề với khu bọc thép…”

Nhưng trong điều kiện thực tế, bệnh nhân vẫn không được bảo vệ trong thời kỳ có bão mặt trời và bão từ. Có gì đáng ngạc nhiên khi số cơn đau tim trong những giai đoạn này tăng lên gấp nhiều lần, số ca đột tử tăng lên gấp nhiều lần, tỷ lệ mắc bệnh tăng nhãn áp tăng lên, v.v.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét cụ thể cách các bộ phận chính của cơ thể con người được cấu tạo và hoạt động theo quan điểm điện. Hãy bắt đầu với ô. Tất cả các sinh vật sống đều được tạo thành từ các tế bào và có nhiều điểm chung vì các tế bào của chúng có cấu trúc giống nhau. Tế bào có khả năng nhân lên, thay đổi và phản ứng với các kích thích bên ngoài.

Cấu trúc của tế bào được E. A. Liberman mô tả rất rõ ràng và dễ hiểu trong cuốn “Tế bào sống” (M., Nauka, 1982). Chúng tôi sẽ làm theo mô tả này. Hãy tưởng tượng tế bào có hình dạng một thành phố thời trung cổ.

Biên giới bên ngoài của thành phố này (phòng giam) được bao quanh bởi một bức tường pháo đài, giúp giữ cư dân trong các bức tường thành và cho phép họ ra vào thành phố chỉ bằng một mật khẩu nhất định. Bức tường thành này là màng tế bào. Chức năng của màng tế bào rất quan trọng; rất nhiều thứ trong cơ thể phụ thuộc vào chúng. Hiện nay, cả một ngành khoa học nghiên cứu về màng tế bào - màng tế bào đã được hình thành. Tiếp theo chúng ta hãy xem xét cấu trúc bên trong của tế bào. Bên trong thành phố di động này có một cung điện, từ đó mọi mệnh lệnh đều đến với cư dân của thành phố. Cung điện (lõi của phòng giam) được bao quanh bởi bức tường pháo đài thứ hai.

Nếu bạn nhìn thành phố (lồng) từ góc nhìn của một con chim, bạn có thể thấy các nhóm tòa nhà riêng biệt được bao quanh bởi các bức tường pháo đài. Họ chứa các tổ chức với chức năng đặc biệt của riêng mình. Những nhóm tòa nhà này cũng được bao quanh bởi những bức tường pháo đài. Nhưng những bức tường này không có tác dụng bảo vệ khỏi kẻ thù bên ngoài nằm bên ngoài thành phố (phòng giam); chúng chứa chính cư dân của các tổ chức trong ranh giới của chúng. Ví dụ, một tế bào có các khuẩn lạc được bao quanh bởi một màng (tường) kép gọi là lysosome. Nếu lysosome vượt ra ngoài ranh giới tổ chức của chúng, thì chúng sẽ bắt đầu điên cuồng phá hủy tất cả các chất tạo nên tế bào cản đường chúng. Sau một thời gian ngắn, chúng có thể phá hủy toàn bộ tế bào.

Tại sao tế bào lại cần những lysosome này, chúng được chứa trong các chất cách điện đặc biệt đằng sau bức tường pháo đài đôi - một màng kép? Chúng cần thiết trong trường hợp bạn cần loại bỏ những chất không cần thiết, đang phân hủy trong tế bào. Sau đó, theo lệnh từ cung điện (cốt lõi), họ làm việc này. Thông thường những bong bóng này trong tế bào được gọi là "kẻ nhặt rác". Nhưng nếu vì lý do nào đó mà lớp màng giữ chúng lại bị phá hủy thì những “kẻ nhặt rác” này có thể biến thành “kẻ đào mộ” cho toàn bộ tế bào. Một chất phá hủy màng ngăn chặn lysosome có thể là từ trường. Dưới tác động của nó, màng bị phá hủy và lysosome có được quyền tự do hoạt động. Có những yếu tố khác có thể phá hủy các màng này. Nhưng chúng tôi sẽ không xem xét chúng ở đây. Chúng tôi chỉ chỉ ra rằng nếu lysosome phá hủy các tế bào của khối u ác tính, thì trong trường hợp này chúng có thể được gọi là trật tự.

Toàn bộ bộ máy hành chính được đặt tại dinh thự (lõi tế bào), chiếm 1/3 diện tích toàn thành phố (tế bào). Đây chủ yếu là DNA nổi tiếng (axit deoxyribonucleic). Nó được thiết kế để lưu trữ và truyền tải thông tin trong quá trình phân chia tế bào. Nhân cũng chứa một lượng đáng kể các protein cơ bản - histon và một số RNA (axit ribonucleic).

Các tế bào hoạt động, xây dựng và nhân lên. Nó cần năng lượng. Tế bào tự tạo ra năng lượng cần thiết. Có các trạm năng lượng trong tế bào. Các trạm này chiếm diện tích nhỏ hơn 50–100 lần so với diện tích của các tòa nhà cung điện, tức là lõi của tế bào. Các nhà máy điện cũng được bao quanh bởi một bức tường pháo đài đôi. Nhưng nó không chỉ nhằm mục đích giới hạn nhà ga mà còn là một phần không thể thiếu của nó. Do đó, thiết kế của các bức tường tương ứng với quy trình công nghệ sản xuất năng lượng.

Các tế bào nhận năng lượng từ hệ thống hô hấp tế bào. Nó được giải phóng do sự phân hủy glucose, axit béo và axit amin thu được trong đường tiêu hóa và gan từ carbohydrate, chất béo và protein. Nhưng nguồn cung cấp năng lượng quan trọng nhất cho tế bào là glucose.

Rõ ràng việc sản xuất năng lượng quan trọng như thế nào trong tế bào. Chúng ta hãy nói trước rằng quá trình này cũng bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài. Điều này xảy ra chủ yếu là do quá trình chuyển hóa glucose thành carbon dioxide (oxy hóa sinh học) diễn ra với sự tham gia của các ion tích điện. Quá trình xảy ra với sự tham gia của các electron và ion, ở giai đoạn cuối tạo thành các phân tử nước. Nếu vì lý do nào đó không có nguyên tử oxy ở giai đoạn cuối này thì nước sẽ không thể hình thành. Hydro sẽ vẫn tự do và tích tụ dưới dạng ion. Khi đó toàn bộ quá trình oxy hóa sinh học sẽ dừng lại. Điều này đồng nghĩa với việc nhà máy điện cũng sẽ ngừng hoạt động và xảy ra khủng hoảng năng lượng.

Điều thú vị là năng lượng trong tế bào được tạo ra theo từng phần nhỏ - quá trình oxy hóa glucose bao gồm tổng cộng tới 30 phản ứng. Mỗi phản ứng này đều giải phóng một lượng năng lượng nhỏ. Một “bao bì” nhỏ như vậy rất thuận tiện cho việc sử dụng năng lượng. Trong trường hợp này, tế bào có cơ hội sử dụng hợp lý nhất năng lượng được giải phóng từng phần nhỏ cho nhu cầu hiện tại và năng lượng dự trữ dư thừa sẽ được tế bào tích trữ dưới dạng ATP (axit adenosine triphosphoric). Năng lượng được tế bào lưu trữ dưới dạng ATP là một loại năng lượng dự trữ khẩn cấp, NS.

ATP là một hợp chất phức tạp có phân tử chứa ba dư lượng axit photphoric. Việc bổ sung mỗi cặn cần năng lượng khoảng 800 calo. Quá trình này được gọi là quá trình phosphoryl hóa. Năng lượng có thể được lấy lại từ ATP bằng cách phân hủy ATP thành hai chất khác: ADP (adenosine diphosphate) và photphat vô cơ.

Tương tự, khi hạt nhân nguyên tử phức tạp bị tách ra, năng lượng nguyên tử được giải phóng. Tất nhiên, sự tương tự này chưa hoàn chỉnh, vì quá trình thủy phân (tách) các phân tử ATP khiến hạt nhân nguyên tử không thay đổi. Sự phân hủy ATP xảy ra khi có mặt một chất đặc biệt không tham gia vào phản ứng nhưng đẩy nhanh quá trình phản ứng và được các nhà hóa học gọi là enzyme. Trong trường hợp này, enzyme là adenosine triphosphase (ATPase). Chất này có nhiều dạng khác nhau và được tìm thấy ở mọi nơi diễn ra các phản ứng liên quan đến tiêu thụ năng lượng.

ATP là một hình thức lưu trữ năng lượng phổ biến. Nó không chỉ được sử dụng bởi tất cả các tế bào động vật mà còn được sử dụng bởi tế bào thực vật.

ATP được hình thành trong quá trình oxy hóa sinh học từ các chất tương tự mà nó bị phân hủy trong quá trình phosphoryl hóa, đó là: photphat vô cơ và ADP. Do đó, để quá trình oxy hóa sinh học xảy ra, cần có sự hiện diện của ADP và photphat vô cơ ở tất cả các giai đoạn của quá trình này, chúng được tiêu thụ liên tục khi quá trình oxy hóa diễn ra, vì chúng tạo thành nguồn cung cấp năng lượng dưới dạng ATP.

Quá trình phosphoryl hóa oxy hóa xảy ra đồng thời với quá trình oxy hóa sinh học. Cả hai quá trình này đều có liên quan chặt chẽ với nhau và toàn bộ công nghệ thu năng lượng trong tế bào đều được kết nối với chúng. Sự kết hợp của các quá trình này là chìa khóa cho sự tồn tại và hoạt động của tế bào. Trong tế bào, dưới tác động của bất kỳ nguyên nhân bên trong hoặc bên ngoài nào, quá trình oxy hóa có thể tiếp tục bất kể quá trình phosphoryl hóa. Quá trình sản xuất năng lượng hóa ra là độc lập, không liên quan đến quá trình giải phóng nó. Hoạt động bình thường và thậm chí sự tồn tại của tế bào là không thể.

Quá trình sản xuất và tiêu thụ năng lượng của tế bào được mô tả là một quá trình điện ở tất cả các giai đoạn của nó. Nó dựa trên các phản ứng liên quan đến các hạt tích điện - electron và ion. Từ trường có nguồn gốc bất kỳ tác động lên các điện tích và theo cách này có thể ảnh hưởng đến quá trình sản xuất và tiêu thụ năng lượng của tế bào. Điều này có nghĩa là các trạm năng lượng của tế bào được bảo vệ kém khỏi tác động của từ trường bên ngoài, mặc dù có bức tường pháo đài kép bao quanh chúng.

Hiện nay, nghiên cứu chuyên sâu đang được thực hiện ở nhiều trung tâm khoa học và y tế về ảnh hưởng của từ trường đến quá trình oxy hóa và phosphoryl hóa sinh học (tức là sản xuất và tiêu thụ năng lượng của tế bào) và người ta đã chứng minh rằng từ trường có thể tách rời quá trình này và do đó khiến tế bào chết.

Một số loại thuốc, kháng sinh, chất độc cũng như hormone tuyến giáp thyroxine đều có tác dụng tách cặp tương tự.

Ở trên chúng ta đã nói rằng việc ra vào tế bào được điều chỉnh bằng điện. Chúng ta hãy xem xét điều này chi tiết hơn vì quá trình này cũng bị ảnh hưởng bởi từ trường. Bức tường pháo đài của tế bào - màng - được xây bằng hai viên gạch. Những viên gạch là các phân tử phospholipid tạo thành một màng mỏng chuyển động liên tục. Các phân tử protein nằm sát vách này ở cả hai phía (bên trong và bên ngoài). Chúng ta có thể nói rằng nó được lót bằng các phân tử protein. Các phân tử protein không được sắp xếp chặt chẽ mà tạo thành một mô hình tương đối thưa thớt. Mô hình này giống nhau ở tất cả các tế bào của mô đồng nhất, chẳng hạn như mô gan. Các tế bào thận có kiểu khác nhau, v.v. Vì lý do này, các tế bào khác nhau không dính vào nhau. Thông qua các lỗ chân lông có trong mô hình phân tử protein, các phân tử lớn có thể xâm nhập vào tế bào và có thể hòa tan trong chất béo tạo nên thành tế bào.

Protein được sản xuất bên trong tế bào. Do đó, chúng hiện diện bên ngoài tế bào nếu có các lối đi trong chính thành tế bào (chứ không phải trong mẫu protein). Các phân tử protein đi ra ngoài qua chúng. Những đoạn này rất nhỏ. Kích thước của chúng giống như kích thước của nguyên tử và phân tử. Những đoạn này, hay còn gọi là lỗ chân lông, có nhiệm vụ loại bỏ các phân tử và ion không cần thiết khỏi tế bào. Chúng giống những đường hầm; chiều dài của chúng gấp 10 lần chiều rộng. Có rất ít đoạn như vậy trong màng tế bào; ở một số tế bào, chúng chỉ chiếm một phần triệu toàn bộ bề mặt của màng. Những đoạn này được thiết kế sao cho chúng có thể đi qua một số phân tử và ion và giữ lại những phân tử và ion khác. Mật khẩu là kích thước của các phân tử và ion, và đối với các ion cũng là điện tích của chúng. Thực tế là bản thân màng đang bị điện áp, giống như thể một cục pin điện được kết nối với nó với điểm trừ ở mặt trong của màng và điểm cộng ở mặt ngoài, mặt ngoài của nó. Pin này là gì? Nó được tạo ra bởi các điện tích mang theo ion kali và ion natri hòa tan trong nước và nằm ở cả hai phía của màng. Nếu ở bất kỳ vị trí nào trong dung dịch có số điện tích dương và âm bằng nhau thì tổng điện tích bằng 0 và điện thế cũng bằng 0. Điều này có nghĩa là pin không được sạc. Để nó tích điện, cần phải thu thập nhiều ion tích điện dương hơn ở một nơi và nhiều ion tích điện âm hơn ở một nơi khác. Những nơi này không gì khác hơn là các cực của pin - cộng và trừ. Pin này được tạo ra và hoạt động như thế nào trong một tế bào?

Dung dịch nước chứa ion kali và ion natri ở cả hai mặt của màng, bên trong tế bào chứa chủ yếu là kali và dịch ngoại bào chứa natri. Ion kali nhỏ hơn nhiều so với ion natri nên chúng đi qua màng tế bào ra bên ngoài dễ dàng hơn ion natri vào trong tế bào. Và vì số lượng điện tích âm vẫn còn bên trong tế bào giống như các ion kali tích tụ ở bên ngoài màng, nên một điện trường được tạo ra trong màng. Điện trường phát sinh do sự chênh lệch nồng độ kali bên trong và bên ngoài tế bào duy trì sự chênh lệch điện thế không thay đổi khi chuyển động của các ion natri, vì tính thấm của màng đối với chúng là không đáng kể. Điện trường làm tăng dòng kali vào tế bào và giảm dòng kali ra ngoài. Khi cùng một lượng ion kali đi vào tế bào cũng như đi ra ngoài, trạng thái cân bằng động sẽ xảy ra, kết quả là có một điểm cộng ở bên ngoài tế bào và một điểm trừ ở thành trong của màng. Nếu một tế bào nhận được một xung dòng điện (tức là dòng điện sinh học) do kích thích bên ngoài, thì trong một thời gian ngắn, màng sẽ trở nên dễ thấm hơn đối với các ion natri, do đó là các ion natri, hàm lượng của chúng trong không gian ngoại bào là 100 lần lớn hơn các ion kali, lao qua các đoạn trong màng vào tế bào hoặc nói cách khác là sợi thần kinh, do đó điện tích của màng thay đổi, tức là trong quá trình kích thích, các cực của pin thay đổi vị trí; chỗ nào có điểm trừ thì trở thành điểm cộng và ngược lại. Một thời gian sau khi ngừng kích thích, tính thấm của màng đối với các ion kali lại tăng lên (như trước khi có kích thích) và đối với các ion natri thì giảm. Điều này dẫn đến sự phục hồi nhanh chóng điện thế trên màng trước khi có tác động kích thích.

Kết luận chính cho chúng ta từ tất cả những gì đã nói là các đường dẫn (lỗ chân lông) trong màng mà tế bào trao đổi với “thế giới” bên ngoài thay đổi dưới tác động của dòng điện (sinh học) và chúng cho phép các ion đi qua. khác nhau tùy theo cường độ dòng điện này. Chúng ta đã nhiều lần nói rằng từ trường có thể tác dụng lên dòng điện và chuyển động của các điện tích (ion). Điều này có nghĩa là dễ hiểu rằng quá trình giao tiếp giữa tế bào và thế giới bên ngoài bị ảnh hưởng đáng kể bởi từ trường. Nó có thể làm gián đoạn dòng giao tiếp này và phá vỡ các điều kiện tồn tại và hoạt động của tế bào.

Quá trình được mô tả ở trên là một phần công việc của hệ thần kinh và là cơ sở cho sự kích thích thần kinh, về bản chất vật lý của nó là một quá trình điện.

Chúng ta hãy xem xét ngắn gọn cách hệ thống thần kinh hoạt động. Đơn vị chính của hệ thần kinh là tế bào thần kinh - tế bào thần kinh. Nó bao gồm một cơ thể và các quá trình. Nhiều quá trình thần kinh phát ra từ tế bào đều ngắn và được gọi là đuôi gai, và theo quy luật, một quá trình dài và được gọi là sợi trục. Sợi trục chứa đầy chất lỏng sền sệt được tạo ra liên tục trong tế bào và di chuyển từ từ dọc theo sợi. Nhiều sợi bên kéo dài từ thân chính của sợi trục, cùng với các sợi của các tế bào thần kinh lân cận, tạo thành mạng lưới phức tạp. Những sợi này thực hiện chức năng giao tiếp, giống như sợi nhánh. Các sợi trục của tế bào thần kinh được tập hợp thành các sợi thần kinh mà qua đó dòng điện (sinh học) chạy qua. Những xung điện này được truyền qua khoảng cách xa. Ví dụ, các sợi trục của tế bào vận động của vỏ não có chiều dài khoảng 1 m. Tốc độ truyền dòng điện dọc theo sợi thần kinh phụ thuộc vào tiết diện của dây dẫn (tức là sợi thần kinh) và vào bề mặt của dây thần kinh. vỏ bọc. Sợi thần kinh càng mỏng thì tốc độ truyền xung điện qua nó càng thấp. Thợ điện sử dụng cáp có các phần khác nhau, có cách điện khác nhau và các thông số khác cho các mục đích khác nhau. Cơ thể cũng có nhiều loại sợi thần kinh khác nhau, vì để cơ thể hoạt động bình thường cần phải truyền các xung điện đến các phần khác nhau của hệ thần kinh với tốc độ khác nhau. Có các dây dẫn thần kinh dày (loại A) có đường kính 16 - 20 micron, dọc theo đó các xung cảm giác và vận động truyền với tốc độ 50 - 140 m/s. Chúng được bao bọc trong một lớp vỏ gọi là myelin. Đây là những sợi thần kinh cơ thể giúp cơ thể thích nghi ngay lập tức với các điều kiện bên ngoài, đặc biệt là các phản ứng vận động nhanh.

Ngoài loại này, cơ thể còn có các sợi mỏng hơn với đường kính 5 - 12 micron, cũng được bao phủ bởi myelin (loại B), nhưng với lớp mỏng hơn. Dòng điện đi qua các sợi này với tốc độ thấp hơn - 10 - 35 m/s. Những sợi này cung cấp sự phân bố nhạy cảm cho các cơ quan nội tạng và được gọi là nội tạng.

Thậm chí còn có những sợi thần kinh mỏng hơn (khoảng 2 micron, loại C) không có vỏ bọc, tức là chúng không phải là dây cáp mà là dây trần. Chúng dẫn truyền các xung điện với tốc độ chỉ 0,6 - 2 m/s và kết nối các tế bào thần kinh của hạch giao cảm với các cơ quan nội tạng, mạch máu và tim.

Vỏ myelin của sợi thần kinh là gì? Nó được hình thành bởi các tế bào đặc biệt theo cách mà các tế bào này quấn quanh sợi thần kinh nhiều lần và tạo thành một loại khớp nối. Ở những nơi này, nội dung của tế bào bị ép ra ngoài. Phần lân cận của sợi thần kinh (sợi trục) được cô lập theo cách tương tự, nhưng bởi một tế bào khác, do đó vỏ myelin bị gián đoạn một cách có hệ thống giữa các khớp nối liền kề, bản thân sợi trục không có lớp cách nhiệt và màng của nó tiếp xúc với môi trường bên ngoài; . Những khu vực giữa các khớp nối này được gọi là nút Ranvier (được đặt theo tên của nhà khoa học đã mô tả chúng). Chúng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong quá trình truyền xung điện dọc theo sợi thần kinh.

Các sợi thần kinh hình thành các kết nối thường xuyên với nhau, do đó bất kỳ sợi thần kinh nào cũng có kết nối với nhiều sợi khác. Toàn bộ hệ thống phức tạp gồm các sợi thần kinh liên kết với nhau này được thiết kế để các tế bào thần kinh nhận thức, xử lý và truyền thông tin. Từ trường tác dụng lên dòng điện. Chính xác hơn, từ trường bên ngoài tương tác với từ trường của dòng điện (sinh học). Bằng cách này, từ trường cản trở hoạt động của tế bào thần kinh.

Chúng ta hãy nhớ lại lần đầu tiên người ta phát hiện ra ảnh hưởng của bão từ đối với những bệnh nhân mắc bệnh tim mạch và các bệnh khác như thế nào. Năm 1915 - 1919 Các bác sĩ Pháp đã nhiều lần quan sát thấy những bệnh nhân bị đau từng cơn (thấp khớp, các bệnh về hệ thần kinh, bệnh tim, dạ dày và đường ruột) đều trải qua các cơn đau cùng một lúc, bất kể điều kiện sống của họ. Người ta phát hiện ra rằng các cơn đau dây thần kinh và đau thắt ngực ở nhiều bệnh nhân trùng khớp về mặt thời gian với độ chính xác từ hai đến ba ngày. Một loạt vụ tai nạn tương tự đã được quan sát thấy.

Các bác sĩ tham gia, những người hoàn toàn tình cờ phát hiện ra những sự thật này, nhận thấy rằng liên lạc qua điện thoại trong những khoảng thời gian này cũng bắt đầu hoạt động không liên tục hoặc thậm chí ngừng hoạt động hoàn toàn trong vài giờ. Đồng thời, không có hư hỏng nào được quan sát thấy trong các bộ điện thoại và hoạt động chính xác của chúng đã tự khôi phục sau khoảng thời gian này mà không cần sự can thiệp của bàn tay con người. Điều đáng ngạc nhiên là những ngày hoạt động của điện thoại bị xáo trộn lại trùng hợp với tình trạng suy thoái nói trên do nhiều loại bệnh khác nhau. Sự gián đoạn đồng thời của thiết bị điện và cơ chế sinh lý trong cơ thể con người là do hoạt động của mặt trời tăng lên và các cơn bão mặt trời liên quan. Trong 84% tất cả các trường hợp, đợt cấp của các triệu chứng khác nhau của các bệnh mãn tính và sự xuất hiện của các biến chứng nghiêm trọng hoặc đặc biệt trong quá trình diễn ra của chúng trùng hợp với sự di chuyển của các vết đen mặt trời qua kinh tuyến trung tâm của Mặt trời, tức là vào thời điểm có khả năng xảy ra bão từ. là tối đa.

Nếu liên lạc qua điện thoại bị hỏng trong các cơn bão từ thì có gì đáng ngạc nhiên khi cơ thể con người, vốn là một hệ thống gồm các dòng điện và điện thế, sẽ từ chối hoạt động bình thường trong điều kiện có bão từ. Hiện tại, ở các vĩ độ trung bình (nơi ảnh hưởng của bão từ ít hơn ở vĩ độ cao), liên lạc qua điện thoại không bị hỏng khi có bão từ. Họ đã học cách tạo ra một mạng điện thoại có mức độ an toàn vừa đủ. Trong nhiều thập kỷ qua, con người không được cung cấp bất cứ thứ gì để bảo vệ cơ thể mình khỏi bão mặt trời và bão từ.

Bây giờ chúng ta hãy quay trở lại việc xem xét hệ thống thần kinh.

Xung thần kinh là gì? Xung thần kinh là dòng điện được tạo ra bởi sự chênh lệch điện thế giữa phần bên trong của sợi thần kinh và phần bên ngoài của nó, tức là môi trường. Chúng ta đã thảo luận ở trên về sự khác biệt tiềm năng giữa thành trong và thành ngoài của màng tế bào. Các ion natri và ion kali được tìm thấy trong dung dịch nước và các phân tử nước mang cả điện tích dương và điện tích âm. Các điện tích tương tác với nhau: điện tích cùng loại thì đẩy nhau, khác điện tích thì hút nhau. Do đó, các đầu tích điện âm của phân tử nước bị thu hút bởi các ion dương kali, natri, canxi, v.v., tạo thành một lớp vỏ trên chúng, giống như một chiếc áo khoác lông thú. Các ion này di chuyển cùng với lớp vỏ phân tử nước được định hướng theo một cách nhất định. Điện tích của ion càng lớn thì càng có nhiều phân tử nước có thể liên kết. Điều này có nghĩa là ion như vậy tạo thành lớp vỏ nước lớn nhất. Lớp nước nhỏ nhất dành cho ion kali và lớn hơn nhiều đối với ion natri.

Nếu pin bị đoản mạch bằng dây thì pin sẽ hết rất nhanh, điện thế sẽ biến mất và không thể tạo ra dòng điện. Pin ion kali và natri cũng bị chập. Tại sao cô ấy không ngồi xuống? Thoạt nhìn, nó nên "ngồi xuống", bởi vì, khi số lượng điện tích dương tăng lên ở một nơi và điện tích âm ở một nơi khác, sẽ xuất hiện các lực có xu hướng đưa mọi thứ trở lại sự phân bố đồng đều ban đầu của các ion trong nước. Để ngăn điều này xảy ra, tức là để tránh hết pin, cần phải duy trì một cách cưỡng bức sự khác biệt về nồng độ ion ở các phía khác nhau của màng tế bào, và do đó tạo ra sự khác biệt về điện thế, tức là khả năng để tạo ra dòng điện. Điều này có nghĩa là các ion phải được bơm ra ngoài một cách cưỡng bức. Chức năng này được thực hiện bởi các cơ chế tế bào đặc biệt nằm trong màng - "bơm ion". Chúng buộc các ion di chuyển theo hướng ngược lại với hướng mà lực đẩy chúng, cố gắng sắp xếp mọi thứ. Những máy bơm này được xây dựng như thế nào? Người ta đã chứng minh rằng dòng ion kali theo cả hai hướng (bên ngoài và bên trong tế bào) gần như bằng nhau. Điều này được giải thích là do đối với các ion kali, sự khác biệt về thế điện hóa giữa tế bào và môi trường là rất nhỏ. Tình hình lại khác với các ion natri. Ở đây lực điện và lực khuếch tán được định hướng theo một hướng và tác dụng của chúng cộng lại. Do đó, hiệu điện thế của natri lớn hơn của kali.

Máy bơm ion bơm các ion ra ngoài phải thực hiện một khối lượng công nhất định. Và công việc đòi hỏi năng lượng. Nó đến từ đâu?

Nguồn năng lượng này là ATP vốn đã quen thuộc. Năng lượng được giải phóng khỏi nó với sự tham gia của enzyme vận chuyển ATPase (adenosine trinophosphatase); Điều thú vị là hoạt động của enzyme tăng lên khi có sự hiện diện của các ion natri và kali, đó là lý do tại sao nó được gọi là “ATPase phụ thuộc natri và kali”. ATPase này phân hủy ATP bằng quá trình phosphoryl hóa sơ bộ, được kích thích bởi các ion natri nội bào và sau đó là quá trình khử phospho với sự có mặt của các ion kali ngoại bào. Đây chính xác là cách các ion natri di chuyển theo hướng có nhiều ion natri hơn, tức là chống lại lực có xu hướng cân bằng nồng độ của chúng. Máy bơm bơm ion natri được thiết kế đơn giản và thông minh.

Các xung thần kinh hoạt động như thế nào? Xung thần kinh đi vào sợi thần kinh tại nút Ranvier bị kích thích và thoát ra qua nút không bị kích thích. Nếu dòng điện đầu ra vượt quá một giá trị (ngưỡng) tối thiểu nhất định thì phần chặn sẽ được kích thích và gửi một xung điện mới dọc theo sợi quang. Do đó, các nút của Ranvier là máy phát xung dòng điện. Chúng đóng vai trò là trạm khuếch đại trung gian. Mỗi máy phát tiếp theo được kích thích bởi một xung hiện tại lan truyền từ lần chặn trước đó và gửi một xung mới đi xa hơn.

Các nút Ranvier tăng tốc đáng kể việc truyền xung thần kinh. Ở những sợi thần kinh không có vỏ myelin, quá trình lan truyền xung thần kinh diễn ra chậm hơn do điện trở suất cao đối với dòng điện.

Từ tất cả những gì đã nói ở trên, rõ ràng là động lực của xung điện thần kinh được tạo ra bởi sự khác biệt về nồng độ ion. Dòng điện được tạo ra do những thay đổi có chọn lọc và tuần tự về tính thấm của màng đối với các ion natri và kali, cũng như do các quá trình năng lượng.

Chúng ta hãy lưu ý thêm một trường hợp nữa. Tế bào chỉ bị kích thích trong môi trường có mặt ion canxi. Độ lớn của xung điện thần kinh và đặc biệt là kích thước lỗ đi qua màng phụ thuộc vào nồng độ ion canxi. Càng ít ion canxi thì ngưỡng kích thích càng thấp. Và khi có rất ít canxi trong môi trường xung quanh tế bào, việc tạo ra các xung điện bắt đầu gây ra những thay đổi nhỏ về điện áp trên màng, có thể phát sinh do nhiễu nhiệt. Tất nhiên, điều này không thể được coi là bình thường.

Nếu ion canxi bị loại bỏ hoàn toàn khỏi dung dịch, khả năng kích thích của sợi thần kinh sẽ bị mất. Tuy nhiên, nồng độ kali không thay đổi. Do đó, các ion canxi cung cấp cho màng tính thấm chọn lọc đối với các ion natri và ion kali. Có lẽ điều này xảy ra theo cách các ion canxi đóng các lỗ của ion natri. Trong trường hợp này, các ion kali nhỏ đi qua các lỗ khác hoặc xâm nhập gần các ion canxi (giữa các “lá cổng”). Nồng độ canxi càng cao thì càng có nhiều lỗ chân lông đóng lại với natri và ngưỡng kích thích càng cao.

Hãy tiếp tục xem xét hệ thống thần kinh. Nó bao gồm bộ phận tự trị, được chia thành giao cảm và phó giao cảm và soma. Loại thứ hai được chia thành ngoại vi (thụ thể thần kinh và dây thần kinh) và trung tâm (não và tủy sống).

Về mặt giải phẫu, bộ não được chia thành năm phần: não trước với các bán cầu não, gian não, não giữa, tiểu não và hành tủy với cầu não.

Phần quan trọng nhất của hệ thần kinh trung ương là não trước với bán cầu đại não. Lớp chất xám bao phủ bán cầu não được tạo thành từ các tế bào và hình thành nên vỏ não, phần phức tạp và phức tạp nhất của não.

Trong độ dày của não còn có các cụm tế bào thần kinh gọi là trung tâm dưới vỏ não. Hoạt động của họ gắn liền với các chức năng riêng lẻ của cơ thể chúng ta. Chất trắng của mô não bao gồm một mạng lưới dày đặc các sợi thần kinh đoàn kết và kết nối các trung tâm khác nhau, cũng như các đường dẫn thần kinh rời và đi vào các tế bào của vỏ não. Vỏ não hình thành các rãnh sâu và các nếp gấp phức tạp. Mỗi bán cầu được chia thành các phần gọi là thùy - trán, đỉnh, chẩm và thái dương.

Vỏ não được kết nối bằng các con đường thần kinh đến tất cả các bộ phận cơ bản của hệ thần kinh trung ương và thông qua chúng đến tất cả các cơ quan của cơ thể. Các xung đến từ ngoại vi sẽ đến một điểm nào đó trên vỏ não. Trong vỏ não, thông tin đến từ vùng ngoại vi thông qua nhiều con đường khác nhau được đánh giá, so sánh với kinh nghiệm trước đó, đưa ra quyết định và ra lệnh cho các hành động.

Vỏ não đóng vai trò chính trong việc nhận thức và nhận thức về cơn đau. Cảm giác đau được hình thành ở vỏ não.

Tất cả các cơ quan và mô, thậm chí cả các tế bào riêng lẻ của cơ thể sống, đều được trang bị các thiết bị đặc biệt có khả năng nhận biết các kích thích phát ra từ cả môi trường bên ngoài và bên trong. Chúng được gọi là thụ thể và được phân biệt bằng nhiều cấu trúc khác nhau, phản ánh sự đa dạng về chức năng của chúng. Những kích thích mà họ cảm nhận được truyền dọc theo các dây dẫn nhạy cảm (hướng tâm) trong các dây thần kinh thân thể và rễ lưng đến tủy sống, là dây cáp chính của cơ thể. Dọc theo các đường đi lên của tủy sống, sự kích thích thần kinh đi vào não và thông qua các đường đi xuống, các mệnh lệnh được gửi đến ngoại vi. Theo quy luật, các dây dẫn thần kinh vận động (đẩy đi) đến các cơ quan như một phần của cùng các dây thần kinh cơ thể mà các dây dẫn cảm giác di chuyển dọc theo. Phần bên trong của tủy sống chứa nhiều thân tế bào thần kinh tạo thành chất xám hình con bướm (theo mặt cắt ngang). Xung quanh nó là các tia và dây, tạo thành một hệ thống mạnh mẽ gồm các con đường đi lên và đi xuống.

Ngoài các dây thần kinh thân thể, các con đường tác động (tức là dẫn truyền các chỉ dẫn từ trung tâm đến ngoại vi) chạy dọc theo các dây thần kinh giao cảm và phó giao cảm. Trong trường hợp này, các tế bào thần kinh giao cảm, các sợi trục hình thành nên các dây thần kinh này, được nhóm lại thành các hạch giao cảm, hoặc các nút, nằm dọc theo cột sống ở cả hai bên dưới dạng chuỗi. Các tế bào thần kinh phó giao cảm hình thành các nút trong các cơ quan mà chúng chi phối hoặc gần chúng (ruột, tim, v.v.) và được gọi là nội bộ. Người ta đã biết rõ sự phụ thuộc hoạt động của cơ quan nội tạng này hoặc cơ quan nội tạng khác vào trạng thái của não. Trong lúc phấn khích và chỉ khi nhớ lại điều gì đó dễ chịu hay khó chịu, tim sẽ đập khác đi, nhịp thở thay đổi. Lo lắng nghiêm trọng hoặc lặp đi lặp lại có thể gây khó tiêu, đau đớn, v.v.

Một giai đoạn quan trọng trong việc phát triển ý tưởng về vai trò của các cấu trúc dưới vỏ não trong việc điều chỉnh hành vi và các chức năng khác là việc phát hiện ra các đặc tính sinh lý của sự hình thành lưới của não. Nhờ hệ thống này, trung tâm thông tin chính của não - đồi thị hoặc đồi thị - được kết nối với tất cả các bộ phận khác và với vỏ não. Đồi thị là cấu trúc dưới vỏ não lớn và phức tạp nhất của bán cầu não, nơi nhận được nhiều xung động. Ở đây, chúng được lọc như cũ và chỉ một phần nhỏ trong số chúng đi vào vỏ não. Hầu hết các xung động đều được phản ứng bởi chính đồi thị, thường thông qua các trung tâm nằm bên dưới nó, được gọi là vùng dưới đồi hoặc vùng dưới đồi.

Ở vùng dưới đồi, vùng nhỏ này của não, tập trung hơn 150 nhân thần kinh, có nhiều kết nối với vỏ não và với các phần khác của não. Điều này cho phép vùng dưới đồi đóng vai trò chính trong việc điều chỉnh các quá trình sống cơ bản và duy trì cân bằng nội môi.

Ở vùng dưới đồi, các xung thần kinh được chuyển sang cơ chế điều hòa nội tiết-thể dịch; Đây là cách thể hiện mối liên hệ chặt chẽ giữa điều hòa thần kinh và nội tiết-thể dịch. Có những tế bào thần kinh được biến đổi tạo ra sự tiết thần kinh. Đặc biệt, chúng được phân biệt bởi kích thước lớn so với các tế bào thần kinh thông thường. Sự tiết thần kinh đi vào các mao mạch máu nhỏ và sau đó qua hệ thống tĩnh mạch cửa vào thùy sau của tuyến yên.

Những thay đổi trong các quá trình vật lý và hóa học trong tế bào có thể ảnh hưởng đến các hình thức hoạt động khác nhau của toàn bộ sinh vật, đặc biệt nếu những thay đổi này ảnh hưởng đến các cấu trúc liên quan đến việc điều chỉnh chức năng của toàn bộ sinh vật.

Từ việc xem xét rất ngắn gọn ở trên về cấu trúc và hoạt động của cơ thể con người theo quan điểm điện, có thể thấy rõ rằng các quá trình chính trong cơ thể con người có liên quan đến dòng điện (sinh học), các ion dương và âm tích điện. Hệ thống thần kinh kiểm soát hầu hết mọi quá trình trong cơ thể con người. Và đó là hệ thống các dòng điện, điện thế, điện tích. Sau khi phân tích như vậy, rõ ràng là cơ thể con người không thể không bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài và bức xạ điện từ nói chung.

Chúng tôi chỉ xem xét các khía cạnh chung về tác động của từ trường đối với con người. Không phải tất cả chúng đều đã được nghiên cứu đầy đủ như nhau. Có rất nhiều tài liệu về vấn đề này và những ai quan tâm có thể tham khảo. Nhiều cuốn sách và thậm chí nhiều bài báo khoa học hơn đã được viết về cả không gian và ảnh hưởng của nó đối với con người, những điều không phải lúc nào cũng được đông đảo độc giả tiếp cận.

Khi bắt đầu viết cuốn sách này, chúng tôi đã theo đuổi một số mục tiêu. Cái chính là một lần nữa chứng tỏ rằng mọi thứ trong tự nhiên đều có mối liên hệ với nhau. Hầu hết mọi hành động đều có tác động đến tất cả các phần trong vũ trụ của chúng ta, chỉ có mức độ ảnh hưởng này là khác nhau. Trong cuộc sống hàng ngày, theo quy luật, chúng ta chỉ tính đến một số rất hạn chế các yếu tố ảnh hưởng đến nó. Đây là áp suất khí quyển, nhiệt độ không khí và đôi khi cũng là sự hiện diện của những tình huống căng thẳng. Hiếm khi ai trong chúng ta liên hệ tình trạng của mình với thực tế là một cơn bão từ toàn cầu đang xảy ra, rằng hai hoặc ba ngày trước có một ngọn lửa sắc quyển trên Mặt trời, rằng những dòng điện khổng lồ đang chạy phía trên chúng ta, v.v. các trung tâm đã tích lũy được lượng tài liệu khổng lồ cho thấy sức khỏe của chúng ta phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố vũ trụ. Những giai đoạn không thuận lợi đối với chúng ta có thể được dự đoán trước và có thể thực hiện các biện pháp thích hợp vào thời điểm này để bảo vệ chúng ta khỏi ảnh hưởng của chúng. Những biện pháp này là gì? Tất nhiên, chúng khác nhau đối với những bệnh nhân khác nhau, nhưng bản chất của chúng là giúp một người chịu đựng những khó khăn liên quan đến thời tiết xấu trong không gian.

Dự báo bão mặt trời và bão địa từ hiện đang được biên soạn ở nhiều quốc gia khác nhau trên thế giới và chúng được sử dụng thành công trong việc giải quyết các vấn đề khác nhau liên quan đến trạng thái của tầng điện ly và không gian gần Trái đất, đặc biệt là các vấn đề liên quan đến sự lan truyền của sóng vô tuyến. Có những dự báo về thời gian thực hiện khác nhau - dài hạn và ngắn hạn. Cả hai đều được gửi đến các tổ chức quan tâm và hoạt động liên lạc bằng điện báo được sử dụng rộng rãi. Trong tương lai gần, dựa trên những dự báo này, các dự báo y tế sẽ được tổng hợp, từ đó sẽ theo dõi những thay đổi về sức khỏe có thể xảy ra do bão mặt trời. Tiên lượng y tế sẽ được thông báo kịp thời tới mọi người, kể cả các bác sĩ địa phương. Họ được kêu gọi giúp đỡ bệnh nhân của mình chịu đựng hậu quả của bão từ với ít rắc rối nhất.

Nhưng để làm được điều này, vẫn còn rất nhiều việc phải làm. Trước hết, thật tốt khi tưởng tượng ra vấn đề. Và điều này sẽ được hỗ trợ bởi một cuốn sách đưa ra bức tranh về các quá trình vật lý trong không gian và tác động của chúng đối với sức khỏe.

Giữa các tế bào thần kinh, tín hiệu được truyền trong các cấu trúc đặc biệt gọi là khớp thần kinh. Việc truyền thông tin ở các khớp thần kinh xảy ra thông qua việc giải phóng các hóa chất, nghĩa là theo nguyên lý hóa học. Trong khi thông tin vẫn còn bên trong tế bào thần kinh, sự truyền dẫn xảy ra bằng điện do các xung điện đặc biệt - điện thế hoạt động - lan truyền khắp màng tế bào thần kinh. Đây là những bước đi ngắn của dòng điện, chúng có hình dạng gần giống tam giác và chạy dọc theo màng của các sợi nhánh, dọc theo thân tế bào thần kinh, sợi trục và cuối cùng đến các khớp thần kinh.

Giữa các tế bào thần kinh, tín hiệu được truyền trong các cấu trúc đặc biệt gọi là khớp thần kinh. Việc truyền thông tin ở các khớp thần kinh xảy ra thông qua việc giải phóng các hóa chất, nghĩa là theo nguyên lý hóa học. Trong khi thông tin vẫn còn bên trong tế bào thần kinh, sự truyền dẫn xảy ra bằng điện do thực tế là các xung điện đặc biệt—điện thế hoạt động—lan truyền dọc theo màng tế bào thần kinh. Đây là những bước đi ngắn của dòng điện, chúng có hình dạng gần giống tam giác và chạy dọc theo màng của các sợi nhánh, dọc theo thân tế bào thần kinh, sợi trục và cuối cùng đến các khớp thần kinh.

Bạn có thể so sánh điện thế hoạt động với mã nhị phân của máy tính. Trong máy tính, như bạn biết, tất cả thông tin được mã hóa dưới dạng một chuỗi số 0 và số 1. Tiềm năng hành động về cơ bản là đơn vị mã hóa tất cả suy nghĩ, cảm xúc, trải nghiệm giác quan, chuyển động của chúng ta, v.v. Bằng cách kết nối đến đúng vị trí trong mạng lưới thần kinh và áp dụng loại xung điện này vào các tế bào thần kinh, chúng ta có thể khiến một người cảm thấy, chẳng hạn như những cảm xúc tích cực hoặc tiêu cực, hoặc gây ra một số ảo giác giác quan hoặc kiểm soát hoạt động của các cơ quan nội tạng. Tất nhiên, đây là một phần rất hứa hẹn của sinh lý học thần kinh và y học thần kinh hiện đại.

Để kiểm soát tiềm năng hành động, bạn cần hiểu chúng đến từ đâu. Về nguyên tắc, điện thế hoạt động có thể được so sánh với trường hợp bạn dùng đèn pin điện để báo hiệu cho người bạn ở bên kia sông. Nghĩa là, bạn nhấn một nút, đèn pin nhấp nháy và sau đó bạn truyền thứ gì đó bằng cách sử dụng một số mã bí mật. Để đèn pin của bạn hoạt động, bạn cần có một cục pin bên trong, tức là một lượng năng lượng nhất định. Các tế bào thần kinh, để tạo ra điện thế hoạt động, cũng phải có nguồn năng lượng như vậy và điện tích này được gọi là điện thế nghỉ. Nó tồn tại, nó vốn có trong tất cả các tế bào thần kinh và có giá trị xấp xỉ -70 mV, tức là -0,07 V.

Việc nghiên cứu tính chất điện của tế bào thần kinh đã bắt đầu từ khá lâu. Thực tế là điện có trong các sinh vật sống đã được hiểu từ thời Phục hưng, khi họ nhận thấy chân của một con ếch co giật do bị điện giật, khi họ nhận ra rằng một con cá đuối điện phát ra những dòng năng lượng. Tiếp theo là việc tìm kiếm những phương pháp kỹ thuật cho phép chúng ta tiếp cận nghiêm túc các tế bào thần kinh và xem những quá trình điện nào xảy ra ở đó. Chúng ta phải cảm ơn con mực ở đây vì mực là loài động vật tuyệt vời có sợi trục rất dày. Điều này là do đặc thù trong lối sống của nó: nó có lớp áo gấp lại và đẩy nước ra ngoài, một xung lực phản ứng xuất hiện và con mực di chuyển về phía trước. Để nhiều cơ của lớp áo co bóp mạnh mẽ và đồng thời, cần có một sợi trục mạnh mẽ để truyền xung động ngay lập tức đến toàn bộ khối cơ này. Sợi trục có độ dày 1-1,5 mm. Trở lại giữa thế kỷ 20, họ đã học cách cách ly nó, chèn những sợi dây điện mỏng vào bên trong, đo lường và ghi lại các quá trình điện xảy ra. Sau đó, rõ ràng là có điện thế nghỉ và điện thế hoạt động.

Một bước đột phá cơ bản xảy ra vào thời điểm các vi điện cực thủy tinh được phát minh, tức là họ đã học được cách chế tạo những ống thủy tinh rất mỏng, bên trong chứa đầy dung dịch muối, chẳng hạn như KCl. Nếu một ống như vậy được thực hiện rất cẩn thận (tất nhiên phải được thực hiện dưới kính hiển vi) đến tế bào thần kinh và xuyên qua màng tế bào thần kinh, thì tế bào thần kinh, sau một chút xáo trộn, vẫn tiếp tục hoạt động bình thường, và bạn xem bên trong nó có điện tích gì và điện tích này thay đổi như thế nào khi thông tin được truyền đi. Vi điện cực thủy tinh là công nghệ cơ bản vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.

Đến cuối thế kỷ 20, một phương pháp khác xuất hiện, được gọi là kẹp vá, khi một vi điện cực thủy tinh không xuyên qua màng mà được đưa đến nó rất cẩn thận, một mảnh màng sẽ được hút ra, trong khi một vùng rất nhỏ của màng tế bào được phân tích và bạn có thể thấy, chẳng hạn, các phân tử protein riêng lẻ, chẳng hạn như các kênh ion khác nhau, hoạt động.

Việc sử dụng tất cả các công nghệ này giúp chúng ta có thể bắt đầu bằng việc hiểu được điện thế nghỉ đến từ đâu, điện tích bên trong các tế bào thần kinh đến từ đâu. Hóa ra điện thế nghỉ chủ yếu liên quan đến sự tích tụ các ion kali. Các quá trình điện trong cơ thể sống khác với các quá trình điện xảy ra trong máy tính, bởi vì điện vật lý chủ yếu là chuyển động của các electron, còn trong hệ thống sống, đó là chuyển động của các ion, tức là các hạt tích điện, chủ yếu là natri, kali, clo, ion canxi. Bốn điều này chủ yếu cung cấp các hiện tượng điện khác nhau trong cơ thể chúng ta: trong hệ thần kinh, trong cơ và trong tim - đây là một phần rất quan trọng của sinh lý học hiện đại.

Khi họ bắt đầu phân tích thành phần tế bào chất của tế bào thần kinh, hóa ra trong tế bào chất của tế bào thần kinh, so với môi trường bên ngoài, có rất nhiều kali và ít natri. Sự khác biệt này xảy ra do hoạt động của một phân tử protein đặc biệt - bơm natri-kali (hoặc natri-kali ATPase). Phải nói rằng bơm natri-kali nằm trên màng của tất cả các tế bào, bởi vì các tế bào sống được thiết kế theo cách mà chúng cần lượng kali dư ​​thừa bên trong tế bào chất, chẳng hạn để nhiều protein hoạt động bình thường. Tế bào trao đổi natri nội bào lấy kali ngoại bào, bơm kali vào, loại bỏ natri khỏi tế bào chất, nhưng điện tích chưa thay đổi vì sự trao đổi ít nhiều tương đương. Một tế bào bình thường, không phải tế bào thần kinh, có quá nhiều kali bên trong, nhưng không mang điện tích: số lượng hạt tích điện dương cũng như số lượng hạt tích điện âm; ví dụ, có kali, clo hoặc anion của các axit hữu cơ khác nhau.

Để hệ thống này thu được điện tích âm, điều sau đây sẽ xảy ra. Tại một thời điểm nào đó trong quá trình trưởng thành của tế bào thần kinh, các kênh kali mở vĩnh viễn xuất hiện trên màng của nó. Đây là những phân tử protein, và để chúng xuất hiện, các gen tương ứng phải hoạt động, liên tục mở các kênh kali cho phép kali rời khỏi tế bào chất và nó thoát ra ngoài vì bên trong có nhiều hơn bên ngoài khoảng 30 lần. Định luật khuếch tán nổi tiếng hoạt động: các hạt (trong trường hợp này là các ion kali) đi ra từ nơi có nhiều đến nơi có ít và kali bắt đầu “thoát” khỏi tế bào chất thông qua các kênh liên tục mở này. , đặc biệt thích nghi cho việc này.

Câu trả lời tầm thường cho câu hỏi "Nó sẽ chạy trong bao lâu?", Có vẻ như, nên là: "Cho đến khi nồng độ cân bằng", nhưng mọi thứ phức tạp hơn một chút, vì kali là một hạt tích điện. Khi một kali thoát ra ngoài, cặp kali duy nhất của nó vẫn còn bên trong tế bào chất và tế bào chất thu được điện tích -1. Kali thứ hai đã thoát ra - điện tích đã là -2, -3... Khi kali thoát ra ngoài qua quá trình khuếch tán, điện tích bên trong tế bào chất tăng lên và điện tích này âm. Do đó, các điểm cộng và điểm trừ thu hút nhau, khi điện tích âm của tế bào chất tăng lên, điện tích này bắt đầu hạn chế sự khuếch tán của các ion kali, và chúng ngày càng khó thoát ra ngoài, và đến một lúc nào đó, trạng thái cân bằng xuất hiện: càng nhiều kali thoát ra do khuếch tán, lượng tương tự đi vào do bị hút điện tích âm của tế bào chất. Điểm cân bằng này xấp xỉ -70 mV, cùng điện thế nghỉ. Tế bào thần kinh đã tự tích điện và hiện sẵn sàng sử dụng điện tích này để tạo ra điện thế hoạt động.

Khi chúng tôi bắt đầu nghiên cứu tiềm năng hành động đến từ đâu, chúng tôi nhận thấy rằng để đánh thức một tế bào để tạo ra xung lực, nó cần được kích thích bằng một lực khá nhất định. Theo quy luật, kích thích sẽ nâng điện tích bên trong tế bào thần kinh lên mức khoảng -50 mV, nghĩa là điện thế nghỉ là -70 mV, và cái gọi là ngưỡng kích hoạt điện thế hoạt động là khoảng -50 mV . Nếu bạn tăng điện tích lên mức này, tế bào thần kinh dường như thức dậy: đột nhiên xuất hiện một điện tích dương rất lớn trong đó, đạt mức xấp xỉ +30 mV, sau đó nhanh chóng giảm xuống xấp xỉ mức điện thế nghỉ, đó là là từ 0 đến 1, rồi lại trở về 0. Đây là một bước hiện tại có khả năng truyền thông tin hơn nữa.

Nó đến từ đâu? Tại sao tế bào thần kinh đột nhiên thức dậy và phát ra xung lực này? Hóa ra các kênh ion khác hoạt động ở đây - không phải mở liên tục mà là các kênh ion có van. Tại thời điểm điện tích trong tế bào thần kinh đạt mức -50 mV, những cánh cửa này bắt đầu mở và sự chuyển động của các ion bắt đầu. Đầu tiên, kênh natri mở ra trong khoảng nửa phần nghìn giây, cho phép một phần ion natri đi vào tế bào thần kinh. Natri đi vào vì thứ nhất, có rất ít natri trong tế bào chất - ít hơn khoảng 10 lần so với bên ngoài, và thứ hai, nó mang điện tích dương và tế bào chất mang điện tích âm, tức là cộng bị hút về phía âm. Do đó, đầu vào xảy ra rất nhanh, đầy đủ và chúng ta quan sát thấy pha tăng dần của điện thế hoạt động. Sau đó, các kênh natri (hàng nghìn kênh hoạt động đồng thời) đóng lại và các kênh kali, nhạy điện và cũng có van, sẽ mở ra. Đây không phải là những kênh liên tục mở mà là những kênh có vòng protein đặc biệt (kênh là một hình trụ có đường dẫn bên trong) mở ra giống như dây garô và các ion kali có thể rời khỏi tế bào chất và mang theo một lượng lớn lượng điện tích dương và nói chung điện tích trong tế bào thần kinh giảm xuống mức điện thế nghỉ. Lúc này kali thoát ra một cách mạnh mẽ, bởi vì chúng ta đang ở đỉnh điện thế hoạt động, không còn -70 mV nữa, bên trong có nhiều kali bên ngoài ít, nó thoát ra ngoài, mang điện tích dương và hệ thống được sạc lại.

Màng tế bào thần kinh được tổ chức theo cách mà nếu một xung lực như vậy phát sinh tại một điểm - và nó chủ yếu phát sinh ở vùng khớp thần kinh, nơi chất dẫn truyền kích thích tế bào thần kinh - thì xung lực này có thể lan truyền dọc theo màng tế bào thần kinh. tế bào thần kinh, và đây là sự truyền dẫn. Sự lan truyền xung dọc theo màng tế bào thần kinh là một quá trình riêng biệt. Thật không may, nó xảy ra khá chậm - tối đa là 100 m/s, và ở cấp độ này, tất nhiên, chúng ta thua kém máy tính vì tín hiệu điện truyền qua dây dẫn với tốc độ ánh sáng và chúng ta có tốc độ tối đa là 100- 120 m/s, không nhiều. Vì vậy, chúng ta là những sinh vật khá chậm so với hệ thống máy tính.

Để nghiên cứu hoạt động của các kênh ion, các nhà sinh lý học sử dụng các chất độc đặc biệt để chặn các kênh này. Chất độc được biết đến nhiều nhất là tetrodotoxin, chất độc của cá nóc. Tetrodotoxin tắt kênh natri nhạy điện, natri không đi vào, điện thế hoạt động không phát triển và tín hiệu hoàn toàn không truyền qua tế bào thần kinh. Vì vậy, ngộ độc cá fugu khiến cơ thể dần dần bị tê liệt do hệ thần kinh ngừng truyền thông tin. Thuốc gây tê cục bộ như novocain, được sử dụng trong y học để ngăn chặn việc truyền xung động cục bộ và không kích hoạt tín hiệu đau, cũng có tác dụng tương tự, chỉ nhẹ hơn. Để nghiên cứu tế bào thần kinh, mô hình động vật được sử dụng; việc ghi lại tế bào thần kinh của con người chỉ có thể thực hiện được trong những dịp rất đặc biệt. Trong quá trình phẫu thuật thần kinh, có những tình huống không chỉ được phép mà còn cần thiết. Ví dụ, để tiếp cận chính xác vùng cần phải tiêu diệt, chẳng hạn như đối với một số loại đau mãn tính.

Có nhiều cách để ghi lại hoạt động điện của não người một cách đầy đủ hơn. Điều này được thực hiện trong quá trình ghi điện não đồ, trong đó tổng điện thế hoạt động của hàng triệu tế bào được ghi đồng thời. Còn có một công nghệ khác gọi là công nghệ khơi gợi tiềm năng. Những công nghệ này bổ sung cho những gì nghiên cứu chụp cắt lớp mang lại cho chúng ta và cho phép chúng ta trình bày khá đầy đủ bức tranh về các quá trình điện diễn ra trong não con người.

Dọc theo các dây thần kinh (các sợi thần kinh riêng lẻ), tín hiệu lan truyền dưới dạng điện thế hoạt động và điện thế trương điện, nhưng trên những khoảng cách tối đa khác nhau. Khả năng của sợi trục và sợi nhánh cũng như màng tế bào cơ dẫn truyền tín hiệu điện được đặc trưng bởi đặc tính cáp.

Đặc tính cáp của dây dẫn thần kinh rất quan trọng đối với việc truyền tín hiệu trong hệ thần kinh. Chúng xác định việc tạo ra điện thế hoạt động ở các đầu dây thần kinh cảm giác hoặc các thụ thể dưới tác động của kích thích, sự dẫn truyền tín hiệu dọc theo sợi trục và sự tổng hợp tín hiệu của màng tế bào thần kinh.

Các lý thuyết hiện đại về sự dẫn truyền kích thích của cáp dựa trên giả thuyết của Hermann về sự tồn tại của dòng điện tròn (dòng Hermann) chạy từ vùng không bị kích thích của màng đến vùng bị kích thích khi một xung truyền dọc theo sợi trục.

Từ tế bào học, người ta biết rằng mỗi tế bào dễ bị kích thích được bao bọc bởi một màng sinh chất, các màng xung quanh tế bào cũng liền kề với nó. Thông thường, các sợi thần kinh được bao quanh bởi vỏ myelin, được hình thành bởi tế bào thần kinh đệm trong hệ thần kinh trung ương hoặc vỏ được hình thành bởi tế bào Schwann ở ngoại vi. Ở những nơi sợi trục phân nhánh, hoặc ở phần đầu hoặc phần cuối của nó, vỏ myelin trở nên mỏng hơn. Bản thân màng bao gồm lipid và protein. Tất cả điều này quyết định điện trở cao của màng tế bào và điện dung phân bố cao của nó. Những đặc điểm này xác định tính chất dẫn điện của sợi thần kinh.

Các mô hình cơ bản của sự lan truyền điện thế, chủ yếu là điện trương lực, dọc theo các sợi thần kinh đã thu được trong các thí nghiệm trên các sợi trục của mực lớn. Người ta phát hiện ra rằng khi một kích thích hình chữ nhật được áp dụng tại một điểm nhất định trên sợi quang, tín hiệu được ghi lại bị biến dạng khi nó di chuyển ra khỏi vị trí kích thích. Một mặt, có sự thay đổi về hình dạng của các cạnh đầu và cuối của nó (độ trễ trong việc đạt giá trị tối đa) và sự giảm biên độ của nó. Đại lượng đầu tiên được xác định bởi hằng số thời gian, đại lượng thứ hai được xác định bởi độ dài không đổi. Vật lý phóng xạ đã biết hằng số thời gian của mạch điện có điện dung (C) và điện trở R được xác định theo công thức

τ = R.C.

và được đo bằng giây.

Điều gì tạo nên sức cản của màng tế bào? Có ba con đường trong tế bào mà dòng điện có thể chạy theo chiều dọc dọc theo sợi trục

a) tế bào chất

b) dịch ngoại bào

c) bản thân màng

Dịch ngoại bào là chất điện giải, điện trở thấp. Điện trở suất của màng dày 100 angstrom đạt tới 1000-5000 ohms × cm, rất lớn. Điện trở suất của axoplasm thấp, 200 ohms × cm. Điện dung của màng tế bào C dễ bị kích thích gần 1 μF/cm2, nhưng không vượt quá 7 μF/cm2. Như vậy, τ có thể là 0,1-7ms. Hằng số thời gian xác định tốc độ trễ trong việc phát triển điện thế đến giá trị tối đa và tốc độ trễ suy giảm của nó đến giá trị nền.

Độ dốcĐộ tăng điện thế (điện tích của tụ màng) được xác định theo định luật hàm mũ:

V/V 0 =(1-e –t/ τ)

Độ lớn của điện thế V t tại thời điểm t nhỏ hơn điện thế ban đầu V 0 một lượng được xác định bởi biểu thức (1-e – t/τ).

Hãy chấp nhận t=τ, sau đó

Vt /V 0 =(1-e –1)= 1-1/e=1-1/2.7=0.63

Hoặc 63% so với bản gốc.

Sự phóng điện của tụ màng cũng được mô tả bằng công thức hàm mũ:

V t /V 0 =e –t/ τ

Hãy lấy t=τ, sau đó V t /V 0 =e –1 =1/2,7=0,37 hoặc 37% mức tối đa sau thời gian tính giờ.

Nếu một dòng điện dung có nguồn gốc điện trương chạy qua màng tế bào, trong mỗi khoảng thời gian bằng τ, hằng số thời gian, tín hiệu điện tử tăng 63% so với khoảng thời gian trước khi tín hiệu tăng hoặc giảm đến 37% so với khoảng thời gian trước đó. giá trị khi nó giảm đi.

Cơ chế ion của hiện tượng này có thể được mô tả một cách đơn giản như sau. Khi các điện tích dương được đưa vào tế bào (khử cực), các ion K + bắt đầu di chuyển về phía màng, màng có khả năng cho phép các điện tích này tích tụ, nhưng có các kênh rò rỉ mở cho phép các ion đi qua và làm giảm sự tích tụ của thù lao. Để một sự dịch chuyển điện tích thực sự xảy ra, thời gian phải trôi qua. Cũng cần có thời gian để khôi phục điện tích ban đầu khi tụ màng phóng điện. Đây là nó τ.

Điện thế trương điện có thể lan truyền dọc theo màng sợi thần kinh bao xa?

Sự lan truyền thụ động của tín hiệu electron được xác định bởi phương trình U x =U 0 ×e - x /λ, trong đó chúng ta lại thấy sự phụ thuộc theo cấp số nhân.

Không khó để biến đổi công thức cho trường hợp x = λ và đảm bảo rằng thế năng điện động U x tại một điểm cách điểm ban đầu một khoảng x sẽ nhỏ hơn điểm ban đầu U 0 một hệ số (lên tới 37). % của U 0, tức là ½,7), nếu điểm này bằng chiều dài không đổi λ.

Hằng số chiều dài λ , hay hằng số phân cực không gian phụ thuộc vào điện trở màng r m, điện trở của môi trường bên ngoài r o và điện trở axoplasmic r i.

Điện trở màng càng lớn, điện trở của môi trường càng thấp thì khoảng cách truyền điện thế càng lớn. Sự giảm độ lớn của electron phụ thuộc vào khoảng cách được gọi là giảm đi .

Hóa ra là hằng số chiều dài bị ảnh hưởng bởi đường kính của dây dẫn, vì điện trở của sợi trục phụ thuộc vào nó. Do đó, các sợi thần kinh dày có khoảng cách λ lớn hơn mà electron có khả năng truyền đi.

Sự lan truyền của electron – chủ yếu là calectroton – là một hiện tượng sinh lý quan trọng. Trong các tế bào không tạo ra PD (glia, biểu mô, sợi cơ trương lực), do dẫn truyền electron, mối quan hệ chức năng giữa các tế bào được thực hiện. Ví dụ, trong cây nơ-ron đuôi gai, ví dụ như vỏ não, các tín hiệu ở dạng electron có thể truyền từ đuôi gai đến soma. Trong khu vực của khớp thần kinh, biết các định luật đã thảo luận ở trên, có thể xác định được điện thế khớp thần kinh có thể lan truyền trong khoảng cách bao nhiêu.

Tuy nhiên, cả phép tính và phép đo trực tiếp đều cho những khoảng cách rất nhỏ mà electron có thể truyền đi. Vì vậy, nếu quá trình khử cực ở vùng màng không đạt đến điểm CUD thì không có sự tăng tính thấm đối với Na+ qua kênh cổng điện thế mà chỉ xảy ra những thay đổi thụ động về điện thế màng. Hằng số λ thay đổi từ 0,1 đến 5 mm. Rõ ràng là sự giao tiếp trong hệ thần kinh trung ương đòi hỏi một cơ chế truyền tín hiệu khác. Sự tiến hóa đã tìm thấy nó. Cơ chế này là sự lan truyền xung lực.

Thước đo sự dẫn truyền xung dọc theo sợi trục là tốc độ. Tốc độ truyền điện thế hoạt động đóng một vai trò quan trọng trong việc tổ chức các kết nối trong hệ thần kinh. Thông thường, các sợi thần kinh dẫn truyền nhanh với tốc độ dẫn truyền trên 100 m/s phục vụ phản xạ nhanh, những sợi này đòi hỏi phản ứng ngay lập tức. Ví dụ, nếu việc đặt chi không thành công (bạn vấp ngã) để tránh bị ngã; trong các phản xạ bảo vệ được khởi xướng bởi một kích thích có hại, v.v. Phản xạ phản ứng nhanh đòi hỏi tốc độ cao ở các bộ phận hướng tâm và vận động, lên tới 120 m/s. Ngược lại, một số quy trình không yêu cầu phản hồi nhanh như vậy. Điều này áp dụng cho các cơ chế điều chỉnh hoạt động của các cơ quan nội tạng, trong đó tốc độ dẫn truyền khoảng 1 m/s là đủ.

Chúng ta hãy xem xét các sự kiện liên quan đến sự lan truyền của AP dọc theo sợi thần kinh không có myelin (đôi khi người ta nói sai là không). myelin, nhưng điều này là vô nghĩa, vì myelin không dẫn dòng điện nên nó là một vỏ bọc!). Sự khởi đầu của sóng kích thích có thể được gây ra bởi hoạt động của thụ thể (điện thế phát) hoặc bởi các quá trình khớp thần kinh. AP cũng có thể được tạo ra bằng cách kích thích điện trên sợi trục. Nếu sự dịch chuyển cục bộ của điện thế màng (khử cực) vượt quá ngưỡng, đạt đến điểm CUD và kích hoạt các kênh natri phụ thuộc điện áp, AP ở dạng sóng khử cực-tái cực sẽ xảy ra và lan truyền dọc theo sợi thần kinh. Điểm cực đại của DP tương ứng với độ đảo cực đại của điện thế màng (vượt qua). Điều này dẫn đến tình huống trong đó PD truyền dọc theo sợi quang, tạo ra dòng điện Hermann ở phía trước nó, làm phóng điện dung màng, đưa điện thế màng của phần tiếp theo của màng đến gần ADC hơn, v.v. Phía sau chính nó, PD chuyển động để lại một vùng màng ở trạng thái khúc xạ tương đối.

Để lan truyền điện thế hoạt động, điều cần thiết là mỗi lần nó phải tạo ra một điện thế trương điện ở vùng lân cận, vùng mà nó lan truyền, có khả năng dịch chuyển điện thế màng theo giá trị ngưỡng, tức là biên độ của điện thế hoạt động. phải vượt quá ngưỡng xuất hiện của nó nhiều lần. Tỷ lệ AP/ngưỡng được gọi là yếu tố đảm bảo (Cập nhật/Uthreshold=5..7).

Tốc độ chuyển động của electron và PD dọc theo sợi không bột giấy là nhỏ và không vượt quá 1 m/s. Ở mực, do sự kết hợp nhiều sợi trục thành một trong quá trình tạo phôi, làm tăng tổng đường kính của dây dẫn nên tốc độ xung trong sợi không có myelin có thể lên tới 25 m/s. Ở động vật có vú, tốc độ tăng lên do quá trình myel hóa sợi trục. Điện trở suất cao của myelin dẫn đến màng sợi bột giấy có điện trở cao và điện dung thấp. Các kênh natri phụ thuộc vào điện áp tập trung ở các nút Ranvier và các kênh kali chịu trách nhiệm tái phân cực tập trung ở các vùng chặn. Những đặc điểm cấu trúc này dẫn đến thực tế là muối mặn sự dẫn truyền kích thích có độ tin cậy cao và tốc độ cao, được kết hợp với hiệu quả (các sợi trục bột giấy để di chuyển Na + và K + qua màng tốn ít natri-kali ATPase hơn). Một đặc tính sinh lý đặc biệt của sự dẫn truyền muối của AP là dòng điện được đóng qua môi trường gian bào, có điện trở thấp và dòng điện đi theo cả dọc và ngang qua sợi.

Tốc độ truyền xung dọc theo sợi bột giấy phụ thuộc vào đường kính của sợi bột theo một tỷ lệ đơn giản:

V=K × d, trong đó d là đường kính và k là hằng số.

Đối với động vật lưỡng cư k=2, đối với động vật có vú k=6.

Độ dài của đoạn sợi tham gia vào quá trình truyền một PD bằng L=t × V, trong đó t là độ dài xung. Chỉ số này rất quan trọng theo quan điểm phương pháp luận, vì việc lựa chọn khoảng cách giữa các cực của các điện cực dẫn (ghi) phụ thuộc vào độ dài của phần bị kích thích của dây thần kinh.

Trong các thân dây thần kinh, các sợi thần kinh hướng tâm và vận động riêng lẻ nằm ở trạng thái bó chặt. Sự dẫn truyền dọc theo các sợi riêng lẻ xảy ra tách biệt với các sợi lân cận, có thể lan truyền theo hai hướng kể từ điểm xuất phát, có tốc độ tương đối ổn định ở bất kỳ phần nào của sợi trục (ngoại trừ phần cuối) và kích thích từ một số nguồn gốc trong tế bào có thể được tính tổng đại số. Phạm vi khác biệt về vận tốc dẫn truyền trong sợi là lớn, điều này cho phép phân loại nhiều loại. Các phân loại được chấp nhận nhiều nhất là Erlanger-Gasser (nhóm AαβγδBC) và ở mức độ thấp hơn là Lloyd (nhóm I, II, III).

Tính dễ bị kích thích là khả năng mô phản ứng lại với kích thích bằng một phản ứng đặc hiệu đối với một mô nhất định. Kích thích là sự chuyển đổi của mô dễ bị kích thích từ trạng thái nghỉ chức năng sang hoạt động cụ thể (để tạo ra thần kinh và dẫn truyền các xung thần kinh, đối với mô cơ - co bóp, đối với mô tuyến - bài tiết dịch tiết tuyến). Trong phần này chúng ta sẽ xem xét cấu trúc và chức năng của mô thần kinh và cơ.

Tế bào thần kinh là một mắt xích trong chuỗi thần kinh. Các tế bào thần kinh riêng lẻ, hay tế bào thần kinh, không thực hiện chức năng của chúng như những đơn vị biệt lập, như tế bào gan hoặc thận. Công việc của 50 tỷ tế bào thần kinh trong não người là chúng nhận tín hiệu từ một số tế bào thần kinh khác và truyền đến tế bào thứ ba. Các tế bào truyền và nhận được kết hợp thành các mạch hoặc mạng lưới thần kinh. Một nơ-ron đơn lẻ với hệ thống phân nhánh các tiến trình ở đầu ra (cấu trúc phân kỳ) có thể gửi tín hiệu nhận được ở đầu vào đến một nghìn hoặc thậm chí nhiều nơ-ron khác. Theo cách tương tự, bất kỳ nơ-ron nào khác cũng có thể nhận thông tin đầu vào từ các nơ-ron khác bằng cách sử dụng một, một số hoặc rất nhiều kết nối đầu vào nếu các đường dẫn hội tụ về nó.

Các điểm nối thực tế của tế bào thần kinh - các điểm cụ thể trên bề mặt tế bào nơi xảy ra tiếp xúc - được gọi là khớp thần kinh. Hóa chất được giải phóng ở khớp thần kinh - chất dẫn truyền thần kinh- Đóng mạch giữa các nơron tiếp xúc và là chất trung gian hóa học dẫn truyền sự kích thích thần kinh giữa các tế bào thần kinh với các khớp thần kinh hóa học. Sau này chúng ta sẽ biết rằng các phương pháp truyền thông tin giữa các nơ-ron có thể khác nhau.

1. Một tế bào thần kinh là một tế bào.

Tế bào thần kinh có một số đặc điểm chung cho tất cả các tế bào của cơ thể (Hình 1).

Cơm. 1. Tế bào thông thường (A) và tế bào thần kinh (B).

Giống như chúng, tế bào thần kinh có màng sinh chất xác định ranh giới của từng tế bào. Với sự trợ giúp của màng và các cơ chế phân tử chứa trong nó, tế bào thần kinh tương tác với các tế bào khác và nhận biết những thay đổi trong môi trường cục bộ xung quanh nó. Với sự trợ giúp của các đặc tính chọn lọc của các kênh ion màng và hệ thống vận chuyển ion chủ động và thụ động, tế bào điều chỉnh áp suất thẩm thấu nội bào và do đó duy trì hình dạng của nó, đồng thời đảm bảo rằng các nguyên tố khoáng, chất dinh dưỡng và khí đi vào tế bào để nội bào. nhu cầu; điện thế được tạo ra trên màng tế bào, làm cơ sở cho chức năng của tế bào thần kinh và các tế bào khác. Màng bao quanh các chất bên trong tế bào, được gọi là tế bào chất, ở tất cả các phía. Tế bào chất chứa nhân và các bào quan tế bào chất cần thiết để tế bào tồn tại và thực hiện công việc của nó: ty thể, vi ống, sợi thần kinh, mạng lưới nội chất.

Ty thể cung cấp năng lượng cho tế bào. Sử dụng đường và oxy, chúng tổng hợp các phân tử năng lượng cao đặc biệt (ATP), được tế bào tiêu thụ khi cần thiết. Các vi ống, cấu trúc mỏng hỗ trợ, giúp tế bào thần kinh duy trì hình dạng và được cho là có liên quan đến sự vận chuyển sợi trục. Với sự trợ giúp của mạng lưới nội chất - một mạng lưới các ống màng bên trong - và các cấu trúc nằm trên đó - ribosome - tế bào tổng hợp các chất cần thiết cho sự sống của nó, phân phối chúng trong tế bào và tiết ra ngoài ranh giới của nó. Các sợi thần kinh thực hiện các chức năng hỗ trợ, cung cấp chuyển động định hướng của các đầu sợi trục (nhánh cuối) và là một trong những liên kết trong cơ chế vận chuyển sợi trục (xem bên dưới).

Nhân của tế bào thần kinh chứa thông tin di truyền được mã hóa trong cấu trúc hóa học của gen. Theo thông tin này, một tế bào được hình thành đầy đủ sẽ tổng hợp các chất cụ thể quyết định hình dạng, tính chất hóa học và chức năng của tế bào này trong suốt vòng đời của nó, vì tế bào thần kinh không có khả năng phân chia.

Không giống như các tế bào khác, tế bào thần kinh có hình dạng không đều: chúng có các quá trình có độ dài khác nhau, thường nhiều và phân nhánh. Các quá trình này là những “dây” sống với sự trợ giúp của mạng lưới thần kinh được hình thành. Các chức năng của các dây như vậy cũng được thực hiện bởi màng của các tế bào thần kinh.

Mạng lưới thần kinh của động vật và con người có sự khác biệt cơ bản so với mạng điện kỹ thuật (bao gồm mạng điện thoại, điện báo và Internet): chúng không có máy phát điện trung tâm cung cấp dòng điện cho chúng. Dòng điện phát sinh trên màng phân tử (màng) của tế bào, do đặc tính cụ thể của các màng này là tạo ra điện thế liên tục và trong tế bào của các mô dễ bị kích thích (thần kinh và cơ) dẫn chúng dọc theo chiều dài của chúng.

Một tế bào thần kinh có một quá trình chính, sợi trục, qua đó nó truyền thông tin đến một tế bào khác và nhiều sợi nhánh, qua đó tế bào nhận được thông tin đến. Cả sợi trục và đuôi gai đều có thể phân nhánh; Sự phân nhánh đặc biệt rộng rãi được quan sát thấy ở đuôi gai. Trên các sợi nhánh và trên bề mặt phần trung tâm của tế bào bao quanh nhân, được gọi là thân nơ-ron, có các khớp thần kinh đầu vào được hình thành bởi các sợi trục của các nơ-ron khác. Các đầu của sợi trục hoặc các nhánh của nó (đầu cuối) tạo thành các khớp thần kinh như vậy trên bề mặt màng của các tế bào khác. Những đầu cuối này chứa các bào quan gọi là túi tiếp hợp, trong đó các phân tử của chất dẫn truyền được tế bào thần kinh giải phóng vào khớp thần kinh của tế bào nhận sẽ tích tụ lại. Các sợi trục thiếu các bào quan tế bào tổng hợp protein, vì vậy quá trình này bị mất kết nối với cơ thể tế bào và sẽ chết.

Các quá trình dài của tế bào thần kinh được gọi là sợi thần kinh.

2. Vật dẫn điện hay máy phát điện? Chức năng điện của màng tế bào.

Nếu một vi điện cực được đưa vào sợi thần kinh đang nghỉ ngơi và nối với điện cực thứ hai được cắm ở mặt ngoài của màng, thiết bị ghi sẽ hiển thị hiệu điện thế 60-90 mV, mặt trong của màng mang điện tích âm. và mặt ngoài mang điện tích dương. Sự khác biệt tiềm năng này trong điện sinh lý được gọi là điện thế nghỉ (RP). Lực nào, tách các điện tích ở cả hai phía của màng, tạo ra sự phân cực điện của nó? Câu trả lời thuyết phục cho câu hỏi này đã được đưa ra bởi các nhà khoa học người Anh A. Hodgkin, A. Huxley và B. Katz (1956-1963), những người đã nhận được giải thưởng Nobel vì kết quả nghiên cứu của họ

Để hiểu rõ hơn bản chất của vấn đề, người ta nên xuất phát từ thực tế là trong cơ thể động vật và con người, mỗi tế bào được bao quanh bởi một dung dịch gồm hỗn hợp các loại muối khác nhau, chủ yếu là clorua và photphat của natri, kali, magie. , v.v., cũng như các hợp chất hữu cơ của chúng. Các hợp chất tương tự được tìm thấy bên trong tế bào, trong tế bào chất của nó. Và nếu tế bào thụ động trước thực tế này, nó sẽ không gây ra bất kỳ hậu quả nào đối với sự sống và hoạt động của nó và sẽ không có điện tích nào tồn tại xung quanh màng, vì nồng độ muối và do đó, các ion của chúng ở cả hai phía của màng sẽ là như nhau. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng bản thân cuộc sống trong trường hợp như vậy là không thể.

Nhưng người ta phát hiện ra rằng màng tế bào có khả năng sử dụng hệ thống vận chuyển tích cực để vận chuyển ion kali vào trong tế bào và ion natri ra ngoài ngược với gradient nồng độ. Khả năng này được đảm bảo nhờ hoạt động của bơm kali-natri tích hợp trong màng, sử dụng năng lượng ATP cho công việc của chúng (Hình 2).

Cơm. 2. Sơ đồ hoạt động của bơm ion.

Trong một chu kỳ, máy bơm loại bỏ 3 ion Na + khỏi tế bào và trả lại 2 ion K + bên trong tế bào, tiêu tốn năng lượng của một phân tử ATP cho công việc này. Tất nhiên, phân tử ATP được phân tách để tạo thành phân tử ADP và dư lượng phốt phát. Do đó, tế bào tạo ra lượng natri và kali không cân bằng xung quanh màng của nó: bên trong màng tạo ra nồng độ ion kali cao gấp 30-50 lần so với bên ngoài và ion natri trong dịch ngoại bào lớn hơn 10 lần so với bên ngoài. trong tế bào chất của tế bào. Tuy nhiên, bản thân điều này tạo ra sự khác biệt về nồng độ cation chứ không phải về điện tích.

Phần thứ hai của quá trình phân cực (trong thời gian nó xảy ra đồng thời với phần đầu tiên) cung cấp khả năng bán thấm, hay nói cách khác là tính thấm chọn lọc (độ chọn lọc) của màng đối với các ion khác nhau. Ở trạng thái nghỉ, màng cho phép các ion K + tự do đi qua, các ion Na + rất kém và hoàn toàn không thấm các anion lớn của axit hữu cơ và protein. Sự sắp xếp không cân bằng của các ion kali và natri xung quanh màng, được tạo ra bởi bơm ion, gây ra một quá trình thụ động - sự khuếch tán của các cation này dọc theo gradient nồng độ. Bên trong tế bào, các ion kali di chuyển về phía màng và vượt qua các ion âm ít di động hơn, thoát ra phía ngoài của nó. Kết quả là, một điện tích âm được tạo ra ở bên trong màng và ở bên ngoài, điện tích dương do các ion natri tạo ra tăng lên và hiệu điện thế tính toán giữa chúng là 80-100 mV. Sự khuếch tán của ion natri vào tế bào yếu hơn nhiều (25 lần) so với kali, nhưng nó vẫn tồn tại và gây ra tác dụng tương tự, nhưng hướng vào tế bào và kết quả là làm giảm nhẹ điện thế kali tính toán của màng. Do đó, điện thế màng nghỉ (RMP) thu được là 50-90 mV. (Hình 3)

Cơm. 3. Điện tích của màng.

Dòng khuếch tán của ion natri và kali chắc chắn sẽ dẫn đến sự cân bằng nồng độ ion ở cả hai phía của màng. Tuy nhiên, điều này không xảy ra trong tế bào sống, vì bơm ion liên tục vận chuyển các ion ngược với các gradient hiện có, duy trì nồng độ và gradient điện hóa của chúng và do đó duy trì điện thế nghỉ. Đây có lẽ là một trong những dấu hiệu chức năng chính và thiết yếu nhất của sự sống. Việc dừng hoạt động của bơm ion trong màng tế bào đồng nghĩa với việc dừng mọi quá trình sống, tức là ngừng hoạt động. chết tế bào.

3. Sự sống của tế bào được điện khí hóa. Vai trò của điện thế nghỉ đối với đời sống của tế bào.

Tại sao một tế bào bình thường cần điện? Được biết, trong cơ thể động vật và con người, ngoài dây thần kinh và cơ bắp còn có các tế bào của da, các cơ quan nội tạng và các mô xung quanh. Người ta nhận thấy rằng tất cả chúng đều có điện thế màng tương ứng từ 15 đến 50 mV. Vì vậy, các tế bào thần kinh không phải là độc quyền về sự hiện diện của điện thế và do đó, việc sử dụng điện trong các hoạt động sống của chúng. Tại sao tế bào cần điện? Chúng ta hãy thử tưởng tượng sẽ như thế nào nếu chúng ta hỏi một bà nội trợ, tại sao cô ấy lại cần điện? Hoặc tại sao bất kỳ doanh nghiệp sản xuất công nghiệp hiện đại nào, nằm trên tầng hai của một tòa nhà, lại cần điện?

Ngoài nước và một số chất điện giải tự do đi qua màng tế bào, tế bào còn cần các chất dinh dưỡng như đường, axit amin và một số nguyên tố khoáng không thể xâm nhập vào tế bào theo quy luật khuếch tán. Trên thực tế, trong quá trình tiến hóa, tế bào có thể có được một lớp màng cho phép tất cả các ion và phân tử của chất hữu cơ đi qua tự do, và mọi vấn đề cung cấp chất dinh dưỡng cho tế bào sẽ được giải quyết theo quy luật khuếch tán. Tại sao điều này thực sự không xảy ra? Thứ nhất, theo quy luật khuếch tán, các ion và phân tử của các chất sẽ chỉ di chuyển vào tế bào nếu chúng tập trung nhiều hơn ở bên ngoài. Thứ hai, hoạt động sống của tế bào không chịu được sự gián đoạn trong việc cung cấp chất cần thiết, điều này có thể phát sinh; Đôi khi, do sự suy giảm của nó trong môi trường tế bào xung quanh, thứ ba, sự liên kết trên cả hai mặt của màng tế bào của các sản phẩm trao đổi chất có hại cho tế bào sẽ không chỉ có tác động bất lợi đến tế bào mà còn làm giảm nồng độ các chất cần thiết cho tế bào ở môi trường bên ngoài, từ đó khiến chúng chảy ngược ra khỏi tế bào. Lợi ích sống còn của tế bào hóa ra lại không tương thích với yếu tố “thị trường” như vậy, và sự tiến hóa của tế bào đã làm cho màng của nó có khả năng thấm chọn lọc đối với một số ion và cung cấp cho nó các phương tiện vận chuyển tích cực để “nhập” các chất khác vào tế bào, cũng như để “xuất khẩu” các sản phẩm trao đổi chất mà tế bào không cần. Tế bào không cần phải chọn loại năng lượng để đảm bảo hoạt động của phương tiện vận chuyển: nó biết đến điện sớm hơn hàng triệu năm so với nhà khoa học Hy Lạp cổ đại Thales, người đã chỉ ra khả năng của hổ phách cọ xát với lụa có thể hút các vật nhẹ,

Là phương tiện vận chuyển, các phân tử protein vận chuyển được tích hợp vào màng tế bào và vận chuyển chất dinh dưỡng vào tế bào như sau (Hình 4).

Cơm. 4. Sơ đồ vận chuyển qua màng.

Ở bên ngoài màng, phân tử protein vận chuyển gắn vào chính nó một phân tử dinh dưỡng và ion natri, do đó thu được điện tích dương. Điện trường của màng, làm phân tử chất mang quay quanh trục giả định của nó, hút cực tích điện dương của nó về phía bên trong màng. Ở đây ion natri mất điện tích và rời khỏi tế bào vận chuyển, dẫn đến sự tách ra khỏi phân tử trung tính của chất dinh dưỡng được vận chuyển khỏi nó. Chất dinh dưỡng vẫn còn bên trong tế bào và natri được bơm ra ngoài, dẫn đến điện tích dương được phục hồi ở bên ngoài màng.

Có nhiều loại protein vận chuyển khác nhau để vận chuyển các loại đường và axit amin khác nhau vào tế bào, nhưng chúng đều sử dụng ion natri và điện thế màng nghỉ trong tế bào động vật. Vi khuẩn sử dụng ion hydro thay vì natri

Vận chuyển điện được sử dụng để loại bỏ một số chất canxi dư thừa trong tế bào, nếu máy bơm canxi không thể xử lý được việc loại bỏ nó thì sẽ rất nguy hiểm. Hệ thống khẩn cấp của lồng bật. Trong trường hợp này, một protein vận chuyển đặc biệt gắn một ion canxi vào phần nội bào của nó và ba ion natri vào phần bên ngoài của nó. Điện trường của màng làm phân tử mang quay 180° và canxi được giải phóng ra ngoài. Không giống như bơm kali-natri sử dụng năng lượng ATP cho công việc của mình, đồng thời tạo ra điện trường (điện thế) trên màng, các protein vận chuyển trên hoạt động như động cơ điện sử dụng năng lượng điện của điện thế màng để thực hiện công việc. công việc của họ

Các cơ chế vận chuyển tích cực các chất dinh dưỡng vào tế bào nhất thiết phải gắn liền với sự sống của nó và chắc chắn phải phát sinh cùng với sự xuất hiện của tế bào. Việc truyền tín hiệu từ tế bào này sang tế bào khác là nhu cầu tiến hóa sau này, do đó, thật tự nhiên khi cho rằng khi nhu cầu đó nảy sinh, các tế bào thần kinh, sau khi sửa đổi phần nào màng của chúng, đã sử dụng tiềm năng màng cho một chức năng mới - truyền tín hiệu. Sự sửa đổi này là gì?

4. Thay đổi điện thế màng. Tiềm năng hành động.

Năm 1939, các nhân viên của trạm hàng hải ở Plymouth (Anh) A. Hodgkin và H. Huxley lần đầu tiên đo được PP và AP của sợi thần kinh, sử dụng sợi trục mực khổng lồ (đường kính 1 mm) và thiết bị thí nghiệm tiên tiến nhất. công nghệ lúc bấy giờ. Hóa ra là khi ở trạng thái nghỉ trên màng, hiệu điện thế xấp xỉ 80 mV, và khi bị kích thích, màng không phóng điện như Bernstein giả định mà được nạp lại: điện tích âm của nó ở bên ngoài và điện tích dương ở bên trong. Trong trường hợp này, sự chênh lệch điện thế xấp xỉ 40 mV xuất hiện trên màng. Điều này có nghĩa là trong quá trình kích thích, điện thế không thay đổi theo giá trị của PP, tức là. không giảm về 0 mà bằng tổng của PP và thế năng mới xuất hiện có dấu ngược lại (Hình 8). Sự vượt quá PD so với PP này được gọi là vượt mức (tiếng Anh oversoot - dư thừa).

Để giải thích tiềm năng “bổ sung” này, Hodgkin và Huxley đưa ra một giả thuyết, bản chất của giả thuyết là khi bị kích thích, màng không những mất hoàn toàn tính thấm chọn lọc mà còn thay đổi nó: từ khả năng thấm chủ yếu sang ion K +, màng trở nên thấm chủ yếu với các ion Na+. Và vì có nhiều chất sau ở bên ngoài màng nên chúng lao vào bên trong và nạp lại năng lượng cho màng.

Thử nghiệm đầu tiên về giả thuyết này được thực hiện bởi A. Hodgkin và B. Katz sau một thời gian dài gián đoạn do chiến tranh, vào năm 1949. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng biên độ AP phụ thuộc vào sự thay đổi nồng độ của ion Na + giống như giá trị PP phụ thuộc vào nồng độ của ion K +, tức là. tuân theo công thức Nernst.

Tiếp theo, cần phải tìm hiểu xem tính thấm của màng đối với kali và natri thực sự thay đổi như thế nào trong quá trình kích thích và những thay đổi này phụ thuộc vào những điều kiện nào. Hodgkin và Huxley đề xuất rằng tính thấm của màng được xác định bởi hai điều kiện: điện thế màng và thời gian trôi qua kể từ khi thay đổi điện thế. Kết quả của một thử nghiệm lâu dài và tốn nhiều công sức về giả định này là sự xác nhận bằng thực nghiệm rằng cơ chế của mọi hiện tượng liên quan đến sự kích thích thực sự dựa trên đặc tính của màng: tính thấm chọn lọc thay đổi của nó đối với các ion kali và natri. Một lý thuyết đã được tạo ra cho sự xuất hiện của PD trong các điều kiện và trạng thái ban đầu khác nhau của màng, tức là “Lý thuyết màng hiện đại”, còn gọi là mô hình X-X, mô hình này tái tạo thường xuyên các hiện tượng như khúc xạ, ngưỡng kích thích, siêu phân cực sợi sau xung động, v.v.

Tuy nhiên, vẫn còn đó những câu hỏi chưa được giải đáp: cơ chế thay đổi tính thấm của màng là gì, vách ngăn mỏng nhất này có cấu tạo như thế nào? Việc thâm nhập vào các bí mật của cấu trúc màng và cơ chế chức năng của nó bắt đầu muộn hơn, khi một ngành khoa học mới xuất hiện - sinh học phân tử.

Cấu trúc màng. Màng tế bào chất là một màng phân tử thụ động bao gồm hai lớp phân tử lipid; nó chứa các phân tử protein thực hiện các chức năng hoạt động trong màng như kênh ion và máy bơm, phân tử mang, thụ thể, v.v. Lớp lipid lưỡng phân tử cách ly tế bào với môi trường và cũng là chất cách điện. Sự kết nối của tế bào với môi trường và tất cả các chức năng hoạt động của màng tế bào được thực hiện bằng cách sử dụng các phân tử protein được tích hợp trong màng (Hình 5)

Cơm. 5. Màng sinh chất tế bào

Một số phân tử protein cung cấp khả năng nhạy cảm cục bộ của màng đối với tác động của kích thích và phản ứng thích hợp với các tác động này. Sự biến đổi tiến hóa của màng tế bào thần kinh bao gồm việc tạo ra trên màng các cơ chế thay đổi cục bộ điện thế màng với sự lan truyền giống như sóng sau đó của sự thay đổi này dọc theo màng. Khả năng thứ hai cũng được sở hữu bởi màng tế bào của các mô khác.

Các kênh ion Các đặc tính điện hoạt động của màng tế bào được xác định bởi các phân tử protein được tích hợp bên trong nó, tạo thành các “lỗ chân lông” trong màng lipid đồng nhất và không thể xuyên thủng cho các phân tử và ion, qua đó các hạt này có thể đi qua trong những điều kiện nhất định. Những lỗ mà ion kali và natri có thể đi qua tương ứng được gọi là kênh ion kali và natri.

Các kênh ion được hình thành bởi một loại phân tử protein đặc biệt có khả năng phân biệt các ion “của chúng” và mở hoặc đóng đường dẫn chúng qua màng dưới tác động của điện thế màng thích hợp. Nhà lý sinh học người Anh B. Hill phát hiện ra rằng đường kính của kênh kali xấp xỉ 0,3 nm và kênh natri có lumen lớn hơn một chút để các ion đi qua. Không giống như kênh natri K+, nó thiếu cơ chế bất hoạt. Cần lưu ý rằng việc truyền cái này hay cái khác đến kênh được xác định không phải bởi đường kính của kênh này mà bởi các đặc tính chức năng và điện thế màng của nó.

Kênh ion có thể được coi như một ống xuyên được gắn vào màng (Hình 6)

Cơm. 6. Sơ đồ hoạt động của kênh ion.

Ở gần đầu ngoài, ống có một “cửa chớp” hoặc “cổng”, vị trí của nó được điều khiển bởi điện thế màng. “Cửa trập” được tích điện và do đó, khi điện thế thay đổi (trong quá trình khử cực), nó có thể mở ra. lối vào kênh của ion tương ứng. Người ta tin rằng các cổng kênh là một nhóm nguyên tử tích điện của phân tử protein có thể di chuyển trong điện trường, từ đó mở đường cho các ion kali hoặc natri. Sự dịch chuyển của nhóm tích điện như vậy phải kèm theo dòng điện nhỏ ngắn hạn; Dòng điện này trong kênh natri đã được ghi lại bằng thực nghiệm và được gọi là “dòng cổng”). Khi nghiên cứu các kênh natri, người ta đã chỉ ra rằng cơ chế cổng và cơ chế bất hoạt nằm ở các đầu khác nhau của kênh. Sau khi loại bỏ đầu bên trong của kênh bằng enzyme pronase, kênh tiếp tục mở cổng natri trong quá trình khử cực, nhưng không bị bất hoạt.

Mật độ kênh natri trong màng đã được xác định. Có khoảng 50 hạt trên mỗi micromet vuông màng (diện tích màng này có thể chứa vài triệu phân tử lipid).

Ngoài kênh kali và natri, màng tế bào còn có kênh canxi, clo và các ion khác. Sự thay đổi dần dần tính thấm của màng, chẳng hạn như đối với các ion kali, được giải thích là do các kênh tương ứng, ngoài trạng thái “mở” và “đóng”, còn có một số trạng thái khác, tức là. rằng các kênh được đặc trưng bởi tính chất hoạt động mang tính xác suất, điều này đã được xác nhận bằng thực nghiệm. Lúc đầu, người ta cho rằng kênh ion là một cơ chế sinh học ổn định được tích hợp trong màng và hoạt động trong thời gian khá dài, nhưng sau đó hóa ra các protein kênh chỉ hoạt động trong khoảng một ngày, sau đó chúng bị phá hủy và được thay thế bằng những chất khác được tổng hợp bởi ribosome của tế bào theo lệnh của RNA thông tin. Người ta phát hiện ra rằng các protein kênh không được chèn ngẫu nhiên vào màng và các kênh ion khác nhau được tế bào vận chuyển chính xác đến đúng vị trí.

Ngoài các kênh, việc mở và đóng được điều khiển bởi điện thế màng, còn có các kênh ion được điều khiển bởi các chất hóa học (không chỉ các chất dẫn truyền trong khớp thần kinh) hoạt động trên màng cả bên ngoài và bên trong tế bào. Ví dụ, sự gia tăng nồng độ của adenosine monophosphate (cAMP) tuần hoàn trong một số tế bào thần kinh dẫn đến việc mở các kênh và khử cực tế bào, và sự gia tăng nồng độ này được kích thích bởi adrenaline. Một tế bào không chỉ có thể kiểm soát hoạt động của các kênh ion mà nó còn có thể sửa đổi chúng và thay đổi tính chất của chúng thông qua các phản ứng sinh hóa được kiểm soát. Ví dụ, các quá trình như vậy xảy ra trong quá trình học tập.

Thay đổi điện thế màng . Màng tế bào có đặc tính phản ứng với sự kích thích bằng cách thay đổi điện thế nghỉ - một quá trình khử cực cục bộ tăng nhanh. Mức độ khử cực này phụ thuộc vào cường độ kích thích và trong các tế bào thần kinh và cơ, nó có thể dẫn đến sự biến mất hoàn toàn trong thời gian ngắn của điện thế màng trong vùng kích thích, sau đó là đảo ngược phân cực và sau đó là tái cực, tức là. khôi phục lại trạng thái ban đầu. Hiện tượng này được gọi là điện thế hoạt động. Mức điện thế màng mà tại đó cường độ kích thích tăng thêm và sự khử cực tiếp theo sẽ làm phát sinh điện thế hoạt động được gọi là ngưỡng và kích thích tương ứng được gọi là ngưỡng.

Mức độ khử cực màng. Nếu cường độ kích thích tác động lên màng không vượt quá 0,5 giá trị ngưỡng kích thích thì quá trình khử cực của màng sẽ chỉ được ghi nhận khi tác động của kích thích. Hiện tượng này được gọi là thế trương điện (Hình 7)

Cơm. 7. Thế điện từ.

Tính thấm ion của màng hầu như không thay đổi. Khi cường độ kích thích tăng lên 0,9 giá trị ngưỡng, quá trình khử cực diễn ra theo đường cong hình chữ S, tiếp tục tăng một thời gian sau khi ngừng kích thích, nhưng sau đó dừng lại từ từ. Phản ứng này của màng tế bào được gọi là phản ứng cục bộ. Một phản ứng cục bộ không có khả năng lan truyền. Tuy nhiên, khi một số kích thích dưới ngưỡng được áp dụng trong khoảng thời gian ngắn hơn thời gian của một phản ứng cục bộ riêng lẻ, thì phản ứng sau sẽ được tổng hợp lại và quá trình khử cực của màng tăng lên, điều này có thể dẫn đến điện thế hoạt động trong tế bào thần kinh và cơ. Tế bào biểu mô không thể tạo ra điện thế hoạt động. Phản ứng của họ trước một kích thích ở bất kỳ cường độ nào đều bị giới hạn ở phản ứng cục bộ.

Khi tác dụng một kích thích ở ngưỡng hoặc lực trên ngưỡng lên màng, điện thế màng giảm 20-40 mV so với điện thế nghỉ, tức là. tới một giá trị tới hạn nhất định. Nếu cường độ kích thích không giảm, thì các lỗ (kênh) trong màng dành cho ion natri sẽ mở ra đột ngột và tính thấm của nó đối với các cation này tăng lên hàng chục, thậm chí hàng trăm lần. Cùng với nồng độ và gradient điện hóa, các ion natri lao vào tế bào như một trận tuyết lở, mang theo điện tích dương. Ở mặt ngoài của màng, ở nơi bị kích thích, thay vì tích điện dương, điện tích âm được hình thành do các anion lớn của axit hữu cơ và protein. Mặt trong của màng cảm nhận dòng cation Na giống như tuyết lở này như một dòng điện có dấu dương được tiêm vào.

Sự tích tụ của các ion Na + ở mặt trong của màng trước tiên dẫn đến sự trung hòa điện tích âm của nó, tức là. đến sự khử cực của nó, và sau đó là sự hình thành điện tích dương ở nơi này: quá trình khử cực được thay thế bằng sự đảo ngược điện tích (Hình 8).

Cơm. 8. Tiềm năng hành động.

Điện thế màng tại nơi bị kích thích trở nên dương. Pha dương này của điện thế màng được gọi là quá mức hoặc tăng đột biến và độ cao trên đường cong điện thế là 40-50 mV. Về mặt đồ họa, đây là nhánh tăng dần của đường cong điện thế hoạt động. Tại thời điểm này, kênh natri bị bất hoạt, tính thấm của màng đối với các ion natri chấm dứt, nhường chỗ cho sự gia tăng độ dẫn điện của kali. Dòng ion kali ra bên ngoài tăng lên sẽ khôi phục lại trạng thái phân cực ban đầu, gây ra quá trình tái cực của màng và bơm natri sẽ bật sau đó, bơm ion natri ra khỏi tế bào, hoàn thành quá trình tái cực.

Cơm. 9. Thay đổi tính dễ bị kích thích của màng sợi thần kinh

trong thời gian có điện thế hoạt động.

Về mặt đồ họa, các quá trình này được đặc trưng bởi nhánh giảm dần của đường cong điện thế hoạt động. Dòng ion Na+ ra phía ngoài màng dẫn đến điện thế màng tăng nhẹ so với ban đầu. Đây là cái gọi là "sự siêu phân cực dấu vết" của màng. Trong giai đoạn này, được gọi là thời kỳ trơ, màng không nhạy cảm với các kích thích lặp đi lặp lại. Thực tế này có hai hệ quả. Thứ nhất, tính không nhạy cảm của phần màng này trước các kích thích lặp đi lặp lại không cho phép xung từ phần lân cận quay trở lại, thứ hai, dòng điện tần số cao không gây ra sự kích thích (điện thế hoạt động) trong dây thần kinh mà chỉ làm nóng phần tương ứng. vùng mô (và cả dây thần kinh nữa).

Biên độ của đường cong điện thế hoạt động được xác định bằng tổng các giá trị của điện thế nghỉ và mức vượt quá của nó sau khi nghịch đảo điện tích. Ví dụ: với PP -80 mV và mức vượt quá +50 mV, biên độ của PD sẽ là 130 mV và các dấu hiệu của các thành phần của nó không được tính đến. Thời lượng AP trên màng sợi thần kinh là 1-3 ms, cơ - lên tới 8 ms, cơ tim - 300 ms.

Vô hiệu hóa hệ thống Na + . Trong sợi trục của mực, với quá trình khử cực liên tục, tính thấm của màng đối với các ion Na + bắt đầu giảm sau 0,5 ms; ở tế bào thần kinh của động vật có xương sống, giai đoạn này ít hơn 5 lần. Sự giảm nhanh chóng tính thấm của màng đối với các ion natri được gọi là bất hoạt. Độ thấm màng tối đa đối với các ion natri được quan sát thấy ở mức khử cực âm hơn khoảng 30-40 mV so với điện thế nghỉ. Ở điện thế ban đầu dương hơn 20-30 mV so với điện thế nghỉ, hệ thống Na + bị bất hoạt hoàn toàn và không thể được kích hoạt bằng bất kỳ quá trình khử cực nào.

Sự bất hoạt phụ thuộc vào điện áp của hệ thống Na ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng kích thích của tế bào trong các điều kiện khác nhau. Do đó, nếu PP của tế bào động vật có vú trở nên dương hơn -50 mV (ví dụ do thiếu oxy hoặc dưới ảnh hưởng của thuốc giãn cơ), thì khả năng dẫn truyền natri sẽ bị bất hoạt hoàn toàn và tế bào trở nên không thể kích thích được. Khi nồng độ Ca 2+ tăng thì tế bào ít bị kích thích hơn, khi giảm thì khả năng bị kích thích của tế bào tăng lên. Sự gia tăng tính dễ bị kích thích này là nguyên nhân dẫn đến hội chứng tetany và các tình trạng khác liên quan đến sự thiếu hụt canxi ion hóa trong máu; trong trường hợp này, các cơn co thắt cơ và chuột rút không tự nguyện xảy ra.

5. Chuyển động kích thích dọc theo sợi thần kinh.

Theo các khái niệm hiện đại, sự lan truyền kích thích dọc theo các sợi thần kinh và cơ được giải thích bằng việc tạo ra điện thế hoạt động trên màng của chúng và tác động của dòng điện cục bộ lên các khu vực lân cận của màng. Khi điện thế hoạt động xuất hiện ở bất kỳ phần nào của màng trong giai đoạn tăng dần của đường cong AP cho đến khi đạt đỉnh (vượt quá), phần màng này sẽ trở thành một máy phát sinh học của dòng điện và bên trong nó, một dòng điện dương chạy qua. từ ngoài màng vào trong tế bào. Nguồn của dòng điện là dòng ion natri di chuyển nhanh qua màng.

Ở mặt trong của màng, một dòng điện có dấu dương, trung hòa điện tích âm của nó, chảy về phía các vùng không bị kích thích, vượt qua điện trở của tế bào chất và đồng thời chảy ra mặt ngoài của nó, nơi nó đã chảy về phía vùng bị kích thích, sử dụng dịch ngoại bào làm dây dẫn (Hình 9, A).

Những dòng điện này sử dụng tế bào chất và màng tế bào như một dây dẫn điện thụ động cách điện kém đặt trong môi trường dẫn điện và được gọi là điện tử dòng chảy. Chừng nào cường độ của các dòng điện này còn dưới ngưỡng thì chúng không gây ra điện thế hoạt động và còn được gọi là dòng chảy cục bộ. Nhưng nếu cường độ của chúng, đến một khoảng cách nhất định so với nơi phát ra chúng, chẳng hạn như từ nơi xuất phát của AP trước đó, cao hơn vài lần so với giá trị ngưỡng, thì những dòng điện như vậy sẽ kích thích quá trình khử cực của phần lân cận của màng với sự xuất hiện tiếp theo của điện thế hoạt động ở đây. Trong tương lai, tất cả điều này sẽ được lặp lại ở địa điểm lân cận tiếp theo; sự kích thích di chuyển theo sóng dọc theo màng. Do đó, khi truyền tín hiệu dọc theo sợi thần kinh, hai quá trình tương tác sẽ xảy ra. Quá trình đầu tiên là kích thích màng, tức là việc tạo ra PD là do đặc thù, tức là tính chất điện hoạt động của màng tế bào dễ bị kích thích. Thứ hai - truyền tín hiệu dọc theo sợi từ phần bị kích thích đến phần không bị kích thích - hoàn toàn là điện và do tính chất điện thụ động của nó, khi sợi thần kinh hoạt động như một chất dẫn điện thụ động. Sự dẫn truyền kích thích dọc theo sợi thần kinh bằng quá trình đầu tiên được gọi là xung, quá trình thứ hai - không xung hoặc điện. Phương pháp truyền vô mạch diễn ra trong một số mạng lưới thần kinh nhất định, trong đó yêu cầu truyền nó qua một khoảng cách nhất định, khá ngắn (xem bên dưới). Trong quá trình dẫn truyền xung động, sợi thần kinh hoạt động giống như một chuỗi các thiết bị chuyển tiếp được kết nối bằng một dây dẫn, qua đó điện thế truyền từ rơle này sang rơle khác. Tuy nhiên, vì sợi thần kinh có thể truyền tín hiệu hoàn toàn bằng điện, nên trước tiên, tại sao nó lại cần các bộ lặp trung gian và thứ hai, nếu vẫn cần chúng thì khoảng cách giữa các điểm chuyển tiếp của sợi thần kinh là bao lâu?

Chiều dài sợi thần kinh không đổi . Không giống như cáp có lõi kim loại nằm trong không khí, trong đó điện áp chỉ được sử dụng để vượt qua điện trở của chính lõi, trong sợi thần kinh, điện áp được sử dụng cho điện trở của “lõi” cáp - axoplasm, của nó cách điện - màng, và dòng điện rò rỉ qua các lỗ của màng trong dịch ngoại bào. Do đó, cường độ tín hiệu ban đầu giảm dần và tín hiệu mờ dần. Chiều dài của đoạn sợi thần kinh trong đó cường độ dòng điện phát sinh tại vị trí kích thích giảm đi e lần được gọi là hằng số chiều dài của nó và được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp l-lambda. Chữ e biểu thị cơ số của logarit tự nhiên, xấp xỉ 2,718. Trong tế bào thần kinh, hằng số chiều dài của sợi thần kinh dao động từ 0,1 đến 5 mm. Ví dụ, ở khoảng cách 4 lambda, biên độ của điện thế chỉ bằng 2% so với điện thế ban đầu. Như vậy, trong sợi thần kinh ở khoảng cách 1 m, không chỉ điện thế trương lực mà cả tín hiệu do AP gây ra cũng sẽ bị dập tắt hoàn toàn. Vì vậy, để tín hiệu có thể truyền về cường độ ban đầu thì nó phải được khuếch đại. Nhưng chiều dài của sợi thần kinh không phải lúc nào cũng đạt tới 1 m. Ở côn trùng nhỏ, chiều dài không đổi của sợi thần kinh là 250 micron, ở Drosophila là 20% cơ thể. Và ở khoảng cách này, tín hiệu ban đầu sẽ chỉ suy giảm 2,718 lần. Lượng suy giảm này không ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu. Nhưng chiều dài như vậy là đặc điểm của nhiều tế bào thần kinh trong não động vật có xương sống. Ở động vật bậc cao, có những tế bào thần kinh mở không tạo ra AP dọc theo chiều dài của chúng mà là những chất dẫn thụ động của điện thế (ví dụ như tế bào thần kinh võng mạc).

Hằng số thời gian . Vì vậy, để mô tả khoảng cách mà tín hiệu có thể được truyền dọc theo các sợi thần kinh không có xung, tức là. phương pháp điện trương, mỗi lần bạn cần lấy một đơn vị độ dài - hằng số độ dài hoặc hằng số suy giảm ( tôi) sợi thần kinh.

Tuy nhiên, hằng số tắt dần chỉ hữu ích trong trường hợp dòng điện một chiều. Nhưng không có thông tin nào có thể được truyền đi bằng dòng điện một chiều; Điều này đòi hỏi dòng điện xoay chiều. Khi xác định tốc độ truyền tín hiệu dọc theo sợi thần kinh liên quan đến dòng điện xoay chiều, cần tính đến màng của nó có điện dung (Hình 10), điện dung này phải được phóng điện trước khi đạt biên độ cực đại của dòng điện xoay chiều. tối đa của nó.

Một lượng thời gian nhất định phải được dành cho việc này. Trong thời gian này, dòng điện không chỉ phóng điện dung của phần màng này mà còn chảy ra ngoài (vào khoảng gian bào). Vì vậy, khi dòng điện xoay chiều thay đổi nhanh, hiệu suất phóng điện của màng sẽ kém hơn nên tín hiệu suy giảm nhanh hơn.

Tốc độ suy giảm tín hiệu trong trường hợp này được xác định bằng cách sử dụng cái gọi là. hằng số thời gian (t), bằng tích của điện trở (Rm) của màng và điện dung riêng của nó (Cm), tức là

t=RmCm Hằng số thời gian của thế điện trương được xác định bởi thời gian mà điện thế đạt đến mức 1/e, tức là. 37% biên độ cuối cùng của nó; t=10 ms có nghĩa là đối với một sợi thần kinh nhất định, độ suy giảm của tín hiệu kéo dài 10 ms tỷ lệ thuận với hằng số độ dài của nó (l). Tín hiệu như vậy trong sợi này thực tế sẽ được truyền giống như dòng điện một chiều, nhưng đối với sợi thần kinh có t = 0,5 s (tế bào thần kinh nhuyễn thể) thì tín hiệu này sẽ “nhanh”, tức là. sẽ mờ đi trong một khoảng cách ngắn hơn. Ở động vật có xương sống, trong các tế bào khác nhau, hằng số thời gian (t) dao động từ 5 đến 50 ms.

Do đó, để truyền tín hiệu đủ chậm so với hằng số thời gian (t) và trên một khoảng cách tương đương với hằng số suy giảm (l), phương pháp truyền tín hiệu điện tử (không có xung) là khá phù hợp. Nếu khoảng cách mà tín hiệu phải được truyền lớn hơn đáng kể so với hằng số suy giảm thì cần phải khuếch đại tín hiệu đó, tức là. truyền dẫn với việc tạo ra các điện thế hoạt động tuần tự – truyền xung tín hiệu. Sự tiến hóa chọn từ các phương pháp này phương pháp đảm bảo tốt nhất việc truyền tín hiệu có đủ cường độ đến đầu nhận của sợi thần kinh hoặc sử dụng đồng thời cả hai phương pháp, từ đó đảm bảo độ tin cậy của tín hiệu.

Tuy nhiên, để đảm bảo chức năng hiệu quả của sợi thần kinh, không chỉ cần độ tin cậy mà còn cần truyền tín hiệu kịp thời, đòi hỏi tốc độ truyền đủ cao.

Tốc độ truyền điện tử. Khái niệm này được A. Hodgkin và V. Rushton đưa ra vào năm 1946]. Trước hết cần tìm hiểu tốc độ của electron là gì? Nếu chúng ta muốn nói đến thời gian mà một tín hiệu nhỏ tùy ý xuất hiện trong sợi thần kinh ở một khoảng cách nhất định so với nơi kích thích, thì đây sẽ là tốc độ ánh sáng. Nhưng không thể nhận được tín hiệu có cường độ thấp như vậy, vì tại điểm thu, nó phải có cường độ ngưỡng, và do đó tín hiệu có cường độ như vậy và tốc độ được chỉ định của electron là vô ích.

Đặc điểm của sợi thần kinh như một sợi cáp, màng của nó là một chuỗi điện dung (Hình 9, a và 10,

Cơm. 10. Sự kích thích lan truyền dọc theo sợi thần kinh.

cho thấy rằng việc truyền điện thế màng dọc theo sợi thần kinh được thực hiện bằng cách phóng điện tuần tự các điện dung này, trong đó cần có dòng điện đủ mạnh ở mỗi phần của sợi; đến điểm tiếp theo, dòng điện có cường độ như vậy chỉ có thể đạt được sau khi điện dung trước đó đã được phóng điện và khi ngày càng có nhiều điện dung ở xa được phóng điện liên tiếp, phân bố điện thế sẽ đạt đến một giá trị đứng yên nhất định (Hình 11).

Cơm. 11. Tốc độ lan truyền kích thích dọc theo sợi thần kinh.

Trên biểu đồ, giá trị này được biểu thị bằng đường cong hàm mũ, cho thấy tốc độ tín hiệu đạt đến một điểm nhất định trong sợi có thể nhận được phụ thuộc vào tốc độ mô hình phân bố điện thế dọc theo sợi thần kinh tiếp cận giá trị đứng yên. . Tốc độ này phụ thuộc vào hằng số thời gian ( t) và hằng số giảm chấn ( tôi). Càng nhiều t, Tỷ lệ dòng điện qua màng vào dịch gian bào xung quanh sợi trên một đơn vị chiều dài của màng càng nhỏ và do đó, dòng điện còn lại sẽ phóng điện đến điện dung tiếp theo càng nhanh và điện dung càng lớn (và do đó tôi), tốc độ phóng điện của nó càng chậm và do đó, đường cong thế năng trong phần này càng tiến gần đến giá trị đứng yên.

Đường cong hàm mũ trong hình. Hình 2-11 cho thấy rằng không thể xác định được tốc độ tại thời điểm đạt đến giá trị thế đứng yên tại một điểm nào đó, bởi vì thời gian để đạt được nó có xu hướng vô tận. Do đó, Hodgkin và Rushton đã chọn một định nghĩa thông thường về tốc độ của electron. Để làm điều này, họ đã sử dụng hàm mũ giảm một nửa của các giá trị tĩnh của điện thế màng (trong Hình 2-11, nó được biểu thị bằng các dấu chéo). Có thể thấy rằng ở điểm xuất phát Mộtđiện thế trở nên bằng 0,5 giá trị dừng sớm hơn tại các điểm khác của sợi và sau đó thời gian này tăng đều 0,5 tở khoảng cách tôi Như vậy, tốc độ truyền tín hiệu điện trương là tốc độ mà sợi thần kinh lan truyền để đạt được một nửa giá trị trạng thái ổn định của điện thế màng. Nó được thể hiện bằng công thức: V= 2 tôi/t, tức là bằng hai lần hằng số chiều dài màng chia cho hằng số thời gian của nó.

Nếu chúng ta chấp nhận tôi= 2,5mm, và t= 50 ms thì tốc độ của electron sẽ là 100 mm/s.

Để truyền trương lực điện của tín hiệu trong sợi thần kinh thực, cần phải ghi nhớ một chi tiết quan trọng: biên độ của điện thế màng ban đầu phải dưới ngưỡng. Giá trị trên ngưỡng của điện thế màng ngay lập tức đưa màng vào trạng thái kích thích, tức là. gây ra sự khử cực của nó bằng cách tạo ra điện thế hoạt động tiếp theo, đó là những gì chúng ta quan sát thấy ở các sợi thần kinh thông thường].

Dẫn truyền xung kích thích . Sự dẫn truyền xung thần kinh dọc theo sợi thần kinh xảy ra do hai quá trình xen kẽ: chủ động - kích thích màng và thụ động - truyền điện thế trương dọc theo phần không bị kích thích của sợi. Do đó, tốc độ dẫn xung dọc theo sợi là một giá trị tổng hợp và bao gồm tốc độ của electron và thời gian dành cho việc tạo ra điện thế hoạt động. Tốc độ của electron càng cao thì tín hiệu sẽ truyền dọc theo sợi quang vẫn chưa bị kích thích càng nhanh và càng xa, duy trì giá trị siêu ngưỡng, tức là. một giá trị có khả năng tạo ra điện thế hoạt động. Điều này lại phụ thuộc vào đặc tính hoạt động của sợi: hệ số an toàn và tốc độ tạo xung.

Hệ số an toàn là tỷ số giữa biên độ điện thế hoạt động và ngưỡng kích thích sợi quang. Rõ ràng là biên độ AP càng lớn và ngưỡng kích thích màng càng thấp thì khoảng cách mà AP có thể kích hoạt phần không bị kích thích của màng càng lớn. Và cuối cùng, quá trình tạo PD diễn ra càng nhanh thì thời gian trễ để truyền lại càng ngắn và do đó tốc độ thực hiện càng cao.

Sự tiến hóa có những cơ hội nào để tăng tốc độ kích thích dọc theo sợi thần kinh?

Biên độ AP không thể tăng đáng kể vì hai lý do quan trọng. Thứ nhất, để làm được điều này, cần phải tăng sự chênh lệch về nồng độ ion kali bên trong và bên ngoài sợi quang lên hàng trăm lần, do đó, làm tăng chi phí năng lượng cho máy bơm ion, điều này sẽ không tương xứng với kết quả đạt được, và thứ hai , bỏ qua khả năng của màng, nói chung không có sinh vật sống nào trong tự nhiên. Vấn đề ở đây là thế này. Biên độ PD xấp xỉ 0,1 V. Xét độ dày của màng (10 nm), cường độ trường trên nó là 109 V. Nếu biên độ PD tăng lên nhiều lần thì màng sẽ bị xuyên thủng. Cũng không thể giảm đáng kể ngưỡng kích thích, bởi vì nó phải cao hơn mức dao động tự nhiên trong điện thế nghỉ của màng, gọi là. “tiếng ồn” của màng liên quan đến chuyển động không đều của ion K+ chảy qua màng.

Do đó, quá trình tiến hóa có hai cách để tăng tốc độ lan truyền kích thích trong các sợi thần kinh: hoặc thay đổi đường kính của chúng hoặc tăng khoảng cách giữa các điểm tạo ra AP, tức là. trạm chuyển tiếp sợi thần kinh.

Ở trên chúng ta đã thấy rằng tốc độ lan truyền điện thế của điện thế tỷ lệ với căn bậc hai của đường kính, tức là rằng khi đường kính của sợi tăng gấp bốn lần thì tốc độ truyền tín hiệu qua nó sẽ tăng gấp đôi: với đường kính sợi 200 micron, tốc độ là 20 m/s, khi đường kính sợi tăng lên 2 mm, tốc độ này sẽ tăng lên 60 m/s. Tuy nhiên, điều thứ hai trong một sinh vật phức tạp sẽ dẫn đến sự lộn xộn của các mô với các sợi thần kinh có đường kính lớn, điều này không những không kinh tế mà còn phi lý xét từ quan điểm về hình dạng và chức năng của các mô này. Vì vậy, quá trình tiến hóa đã chọn phương pháp thứ hai - phương pháp dẫn truyền kích thích muối giữa các trạm chuyển tiếp sợi thần kinh cách ly với nhau. Trong các sợi có bao myelin mỏng có đường kính 20 micron, tốc độ truyền xung đạt tới 120 m/s. Làm thế nào đạt được sự gia tăng tốc độ dẫn truyền như vậy?

Sợi có myelin khác với sợi thông thường ở chỗ các đoạn khá dài của nó được bao phủ bởi lớp cách nhiệt tốt (myelin). Những vùng có myelin này thường xuyên xen kẽ với những vùng không bị cô lập ngắn (2 µm), được gọi là. các nút Ranvier, trong đó màng sợi không có lớp cách nhiệt. Các phần giao nhau có đường kính xấp xỉ 100 lần đường kính của một sợi nhất định; Lớp cách nhiệt được hình thành bởi các tế bào giàu myelin, giống như băng cách điện, quấn sợi thần kinh nhiều lần khiến ion không thể chảy qua màng ở những khu vực này. Trong quá trình đánh chặn, màng chuyên biệt để tạo ra điện thế hoạt động và là nguồn dòng điện; mật độ kênh Na + ở đây lớn hơn 100 lần so với sợi không bột giấy (Hình 12).

Cơm. 12. Sự đánh chặn của Ranvier.

Dòng điện được tạo ra trong phần chặn tiếp theo mà không bị tổn thất lớn và chảy ra ngoài đó, kích thích tạo ra PD trên màng của nó, đây là nguồn dòng điện cho phần chặn tiếp theo. Do đó, khi điện thế màng thay đổi, dòng điện không chạy qua màng của các vùng giao thoa và xung ở các vùng này sẽ truyền theo phương pháp điện tử, với thời gian tiêu thụ gần như bằng 0 (0,05-0,07 ms) và hầu như không bị suy giảm (không giảm) . Độ trễ dẫn truyền chỉ xảy ra ở các điểm chặn trong đó điện thế trương điện phải đạt đến cường độ ngưỡng và tạo ra điện thế hoạt động. Sự sắp xếp này của sợi thần kinh không chỉ mang lại tốc độ kích thích cao mà còn rất tiết kiệm: bơm ion chỉ hoạt động ở phần chặn

Thiên nhiên đã chọn chiều dài đoạn giao nhau bằng 100 lần đường kính của sợi này. Mặc dù không phải là tối ưu nhất về mặt lý thuyết nhưng nó vẫn đảm bảo sự dẫn truyền xung động ngay cả khi hoạt động màng của một hoặc nhiều lần đánh chặn bị mất. Vâng, còn độ dày của lớp cách nhiệt thì sao?

Rushton (1951) xác định rằng tốc độ lan truyền điện thế hoạt động trong sợi thần kinh sẽ tối ưu khi tỷ lệ giữa đường kính trong của phần sợi có myelin và đường kính ngoài của nó là 0,6-0,7; chỉ tiêu này được xác định theo công thức:

ĐẾN bán buôn =1/2e, trong đó K là tỷ lệ đường kính và e= 2,718 . Các phép đo thực tế của các sợi thần kinh thực sự được thực hiện bởi các nhà mô học đã xác nhận những dữ liệu này.

6. Phân loại sợi thần kinh theo tốc độ.

Dựa trên các nghiên cứu điện sinh lý của dây thần kinh do Erlanger và Gasser thu được, tất cả các sợi thần kinh được chia thành ba nhóm - A, B và C, với bốn nhóm nhỏ được xác định trong nhóm A (Bảng 1).

Một dây thần kinh có thể chứa một số lượng lớn các sợi thần kinh, khác nhau về tốc độ và hướng chuyển động của các xung. Ví dụ, dây thần kinh ở chi dưới ở người chứa các sợi thần kinh khác nhau về chức năng, đường kính và tốc độ dẫn truyền xung động. Điện thế hoạt động của dây thần kinh như vậy được xác định bởi toàn bộ các nhóm sợi và tốc độ của các xung thần kinh truyền qua chúng. Khi áp dụng một kích thích có thể kích thích các sợi thần kinh của tất cả các nhóm, điện thế hoạt động tổng hợp của toàn bộ dây thần kinh sẽ được ghi lại.

Bảng 1. Phân loại sợi thần kinh theo Erlanger và Gasser].

	Chức năng của sợi	Đường kính sợi trung bình, µm	Tốc độ dẫn trung bình, m/s
	Các sợi cảm giác và vận động của cơ xương
	Các sợi hướng tâm và áp lực
	Trục cơ vận động
	Đau và nhiệt độ nhạy cảm với da
	Tiền hạch giao cảm
	Hậu hạch giao cảm

Ví dụ, dây thần kinh của chi sau chứa các sợi thần kinh khác nhau về chức năng, đường kính và tốc độ dẫn truyền. Điện thế hoạt động của dây thần kinh như vậy được xác định bởi toàn bộ các nhóm sợi và tốc độ của các xung thần kinh. Khi áp dụng một kích thích có thể kích thích các sợi thần kinh của tất cả các nhóm, điện thế hoạt động tổng hợp của toàn bộ dây thần kinh sẽ được ghi lại.

7. Tạo ra sự kích thích ở các thụ thể.

Trong cơ thể sống, sự tác động của các kích thích tự nhiên xảy ra ở các cơ quan cảm giác đặc biệt và các kích thích đó là ánh sáng, âm thanh, áp suất, nhiệt độ, sự thay đổi độ pH của môi trường, v.v.. Các tế bào phân biệt giữa các kích thích này và gửi thông tin về chúng đến hệ thần kinh được gọi là thụ thể.

Khi một kích thích tác động lên tế bào thụ thể, quá trình khử cực của màng tế bào tiếp nhận xảy ra và với cường độ kích thích đủ lớn, cái gọi là tiềm năng thụ thể. Không giống như màng của các tế bào dễ bị kích thích khác, thời gian của điện thế thụ thể tương ứng với thời gian kích thích và biên độ của nó tương ứng với cường độ kích thích.

Điện thế thụ thể lan truyền theo phương pháp điện tử đến đáy của thân tế bào thụ thể, nơi sợi trục của nó bắt nguồn, và tại đây gây ra sự khử cực vượt quá mức ngưỡng; một tiềm năng hành động xảy ra. Điều cụ thể trong trường hợp này là như sau: đường cong tái cực màng ở cuối điện thế hoạt động giảm xuống thấp hơn nhiều so với mức ban đầu, quá trình siêu phân cực màng xảy ra và đường cong khử cực tiếp theo lại đạt đến mức ngưỡng: điện thế hoạt động tiếp theo xảy ra. Do đó, sự khử cực liên tục của màng đầu vào của tế bào thụ thể gây ra bởi một kích thích sẽ tạo ra một loạt điện thế hoạt động trên màng đầu ra của nó, sau đó truyền dọc theo sợi trục. Thời lượng phát hành chuỗi AP tương ứng với thời gian tác động của kích thích và tần số xung trong chuỗi tương ứng với cường độ tác động của nó. Do đó, điện thế hoạt động dưới dạng mã tần số truyền đến hệ thần kinh trung ương về cường độ và thời gian của kích thích.

Các cơ quan thụ cảm tạo thành một đơn vị duy nhất với sợi trục của tế bào thần kinh nhạy cảm được gọi là cơ quan thụ cảm sơ cấp; các thụ thể thứ cấp được kết nối với sợi trục của tế bào thần kinh bằng các khớp thần kinh và sự biến đổi điện thế thụ thể thành một loạt điện thế hoạt động xảy ra ở các đầu tiếp nhận (đầu cuối) của tế bào thần kinh dưới tác động của chất trung gian do thụ thể giải phóng. Thời lượng và tần suất của chuỗi trong trường hợp này được xác định bởi thời lượng phát hành và lượng chất hòa giải.

8. Truyền kích thích giữa các tế bào.

Các cấu trúc phát sinh tại điểm tiếp xúc giữa đầu sợi trục của tế bào thần kinh và màng của tế bào tiếp theo (cơ, tuyến hoặc dây thần kinh) được gọi là khớp thần kinh. Sự hình thành được gọi là khớp thần kinh bao gồm các màng tế bào tiếp xúc - tiền synap và sau synap, giữa đó vẫn còn một khoảng trống rộng 10-50 nm (100-500 A) - khe hở tiếp hợp. Chiều rộng của khe hở này khiến cho không thể truyền kích thích điện từ tế bào này sang tế bào khác do sự mất mát lớn dòng điện trong dịch gian bào. Tuy nhiên, việc truyền kích thích hóa học trong các khớp thần kinh có thể đóng vai trò là cơ chế tăng cường kích thích. phụ thuộc vào lượng chất trung gian được giải phóng và vào thời gian giải phóng của nó, độ nhạy của màng tiếp nhận. Tất cả điều này có thể được điều chỉnh một cách tối ưu bởi quá trình tiến hóa và do đó, khớp thần kinh hoạt động theo nguyên tắc của một van cho phép kích thích. cường độ nhất định để đi qua.

Ý nghĩa sinh học của khớp thần kinh . Nếu không có khớp thần kinh đóng vai trò là van thì hoạt động có trật tự của hệ thần kinh trung ương khó có thể thực hiện được. Hiệu quả của việc truyền synap có thể được sửa đổi. Ví dụ, việc truyền tải kích thích được cải thiện khi sử dụng khớp thần kinh thường xuyên hơn.

Phương pháp khớp thần kinh của các kết nối inteuron đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển và hình thành hệ thần kinh của các sinh vật trong quá trình phát sinh gen và phát sinh bản thể. Trong quá trình hình thành bản thể, hệ thống thần kinh trung ương của một cá nhân phát triển và cải thiện đến một độ tuổi nhất định, bằng cách bổ sung thêm các tế bào thần kinh mới cũng như bằng sự xuất hiện và thiết lập các kết nối khớp thần kinh nội tạng mới giữa chúng, điều này là không thể trong trường hợp liên tục cứng nhắc. các kết nối hình thái giữa các tế bào.

Cuối cùng, các khớp thần kinh là điểm ứng dụng của nhiều chất dược lý ngăn chặn sự truyền kích thích, bao gồm các chất có nguồn gốc nội sinh có ý nghĩa dược lý và sinh bệnh học tích cực. Chúng sẽ được thảo luận khi xem xét chức năng của cấu trúc não.

Chúng ta hãy xem xét cơ chế truyền qua khớp thần kinh bằng ví dụ về khớp thần kinh cơ.

Mối nối thần kinh cơ Với. Cấu trúc của khớp thần kinh cơ được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong Hình 2. 13.

Cơm. 13. Khớp thần kinh cơ (hóa học).

Các sợi trục của nơ-ron vận động của tủy sống và nhân vận động của hành não và não giữa tạo thành các khớp thần kinh với các sợi cơ xương. Màng trước synap được hình thành bởi nhiều nhánh tận cùng của sợi trục đã mất vỏ myelin. Màng sau synap ở khớp thần kinh thuộc về sợi cơ và được gọi là tấm cuối. Các túi synap ở đầu sợi trục dày lên có chứa một chất hóa học gọi là acetylcholine.

Dưới ảnh hưởng của điện thế hoạt động của sợi trục, acetylcholine được giải phóng qua màng trước synap từ các túi tiếp hợp, đi qua khe hở tiếp hợp, gây ra sự khử cực của tấm cuối và xuất hiện điện thế tấm cuối cục bộ (EPP) trên đó . Cái sau khác với tiềm năng hoạt động ở một số tính chất. Nó tồn tại lâu hơn; đường cong của nó nằm ở phía âm của trục x, được đặc trưng bởi mức tăng mạnh trong 1-1,5 ms và mức giảm chậm kéo dài 3,5-6 ms. EPP không tuân theo quy luật “tất cả hoặc không có gì”; biên độ của nó phụ thuộc vào lượng chất dẫn truyền được giải phóng vào khớp thần kinh và độ nhạy của màng sau synap với nó. Với tần số đủ của điện thế hoạt động đến màng trước synap, lượng chất dẫn truyền được giải phóng vào khớp thần kinh và do đó, EPP được tổng hợp lại, kích thích sự xuất hiện của điện thế hoạt động trên màng sợi cơ.

Để giải phóng bình thường chất dẫn truyền trong khớp thần kinh, sự hiện diện của các ion canxi là cần thiết. Lý do giải phóng chất dẫn truyền vào khe hở tiếp hợp không phải là do sự khử cực của màng trước khớp thần kinh mà thực tế là quá trình khử cực mở đường cho canxi vào đầu trước khớp thần kinh. Nếu canxi bị loại bỏ khỏi môi trường bên ngoài, khớp thần kinh hóa học sẽ không hoạt động dưới bất kỳ quá trình khử cực nào. Cơ chế hoạt động của ion Ca 2+ khi giải phóng chất trung gian đang được nghiên cứu. Người ta đã xác định rằng sự giải phóng của nó trong khớp thần kinh xảy ra trước sự gia tăng mạnh tính thấm của màng trước khớp thần kinh đối với các ion canxi, chúng nhanh chóng xâm nhập vào đầu cuối trước khớp thần kinh của sợi trục. Sau khi các ion Ca 2+ thực hiện chức năng của mình, chúng được bơm ra khỏi sợi trục bằng bơm ion canxi, công việc của chúng liên tục duy trì nồng độ ion canxi không cân bằng xung quanh màng.

Năng lượng cần thiết cho hoạt động của máy bơm được tạo ra trong ty thể của các đầu sợi trục, năng lượng này cũng được dùng cho quá trình tái tổng hợp acetylcholine từ choline và axit axetic trong cùng các đầu sợi trục.

Ức chế dẫn truyền thần kinh cơ . Thuốc gây tê cục bộ (novocain) ngăn chặn sự dẫn truyền kích thích ở các đầu dây thần kinh trước khớp thần kinh. Độc tố Botulinum khiến nó không thể giải phóng chất dẫn truyền vì nó ngăn chặn tính thấm của màng trước synap đối với các ion canxi. Các ion magie hoạt động tương tự trên màng. Nọc rắn, ví dụ, a-bungarotoxin, nọc độc curare, ngăn chặn các thụ thể acetylcholine của màng sau khớp thần kinh, không thể đảo ngược (nọc rắn) hoặc có thể đảo ngược (nọc độc curare) bằng cách liên kết với chúng. Các hợp chất phospho hữu cơ ở liều lượng độc hại sẽ ức chế enzyme cholinesterase, enzyme thường phân hủy acetylcholine sau khi thực hiện chức năng của nó. Trong trường hợp này, enzyme không bị phân cắt kịp thời sẽ hoạt động trong khớp thần kinh quá lâu đến mức xảy ra hiện tượng bất hoạt các thụ thể màng sau khớp thần kinh đối với chất dẫn truyền.

Một loại protein được phân lập từ nọc độc của nhện karakurt - latrotoxin, về cơ bản là các kênh canxi không đóng. Nó được gắn vào màng trước synap và bắt đầu đưa canxi vào thiết bị đầu cuối. Kết quả là dự trữ acetylcholine ở các đầu tận bị cạn kiệt hoàn toàn và hệ thần kinh không thể gây ra các cơn co thắt cơ (kể cả cơ hô hấp).

Một số chất ngăn chặn sự truyền qua khớp thần kinh được sử dụng trong gây mê và các thủ thuật y tế khác để thư giãn cơ bắp. Những chất này được gọi là chất thư giãn

Khớp thần kinh điện . Ngoài các chất hóa học, các khớp thần kinh điện đã được tìm thấy trong cơ thể động vật. Trong ES, dòng ion truyền trực tiếp từ các đầu sợi trục đến tế bào đích thông qua các kênh đặc biệt trong các ống của thiết bị “lắp ghép” protein màng cụ thể - connexon. Các phân tử protein connectin tạo thành một cấu trúc đặc biệt trong màng của đầu sợi trục và màng sau synap của tế bào đích - connecton, bao gồm sáu phân tử và có một kênh bên trong. Hai liên kết của các màng khớp thần kinh liền kề kết nối với nhau và một lỗ mở ra trên mỗi chúng - một kênh đã bị đóng trước đó (quá trình này tương tự như việc mở các cửa sập trong quá trình lắp ghép). Kênh này có điện trở thấp đối với sự đi qua của các ion. Có rất nhiều kết nối trong ES. Như vậy, ES kết nối hai tế bào bằng nhiều ống mỏng có đường kính khoảng 1-1,5 nm, đi vào bên trong các phân tử protein (Hình 14, d).

Cơm. 14. Các khớp thần kinh điện.

Khoảng trống giữa các kết nối trong khe hở tiếp hợp của ES được lấp đầy bằng chất cách điện. Ở loài chim, trong chuỗi tế bào thần kinh đảm bảo phản ứng của đồng tử với ánh sáng, khe hở của các khớp thần kinh điện được lấp đầy bằng myelin.

Một tính năng đặc biệt của ES là tốc độ của nó. Đặc điểm thứ hai của ES là chúng truyền tín hiệu theo cả hai hướng, tức là chúng đối xứng. Tuy nhiên, có ES được hình thành bởi các màng có đặc tính chỉnh lưu truyền tín hiệu theo một hướng, cũng như các khớp thần kinh hóa học đối xứng, trong đó các túi có chất dẫn truyền hiện diện ở cả hai phía của khe hở tiếp hợp. ES thường được tìm thấy nhiều nhất ở động vật không xương sống và động vật có xương sống bậc thấp (cyclostomes và cá).

Các thiết bị như khớp thần kinh. Các thiết bị như khớp thần kinh đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động sống của nhiều loại mô và cơ quan. Ví dụ, tế bào tim ở nhiều loài động vật được kết nối bằng các kênh được tạo từ cùng một loại protein connectin tạo thành các kênh trong ES. Trong trường hợp này, vùng tiếp xúc của tế bào được gọi là vùng tiếp xúc có tính thấm cao (khớp thần kinh là vùng tiếp xúc trong đó ít nhất một người tham gia là tế bào thần kinh). Các tế bào cơ trơn của các cơ quan nội tạng được kết nối với nhau bằng hệ thống các cầu nối. Các tế bào không dễ bị kích thích (tế bào biểu mô, tuyến, gan, v.v.) cũng được kết nối bằng các tiếp xúc có tính thấm cao. Trên thực tế, hầu hết các mô của cơ thể không phải là sự tích tụ của các tế bào đơn lẻ mà là một tập thể duy nhất trong đó các tế bào có thể trao đổi các phân tử khác nhau thông qua các kênh tiếp xúc có tính thấm cao. Nhờ đó, có thể thực hiện được một loại “hỗ trợ lẫn nhau của tế bào” trong các mô. Ví dụ, nếu máy bơm màng không hoạt động tốt trong một tế bào, thì các tế bào lân cận của nó, thông qua các kênh tiếp xúc có tính thấm cao, sẽ “chia sẻ” lượng ion dự trữ của chúng với nó và duy trì tiềm năng nghỉ của nó.

Connexon không phải là những ống ổn định mà là những cấu trúc động: các kênh connexon có thể đóng mở dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Cơ chế phân tử của việc đóng kênh này đã được làm sáng tỏ. Connecton bao gồm 6 tiểu đơn vị có thể di chuyển tương đối với nhau (xem Hình 2-12, b), và lỗ có thể đóng lại; Thiết bị này rất giống với thiết bị của màng chắn máy ảnh với các lưỡi dao có thể di chuyển được. Nếu tế bào bị tổn thương nghiêm trọng ở màng và cơ chế bảo vệ của nó không thể đối phó với lượng canxi dư thừa, chẳng hạn như canxi đến từ môi trường, do đó tế bào sẽ chết, thì nồng độ canxi cao bên trong tế bào này sẽ ảnh hưởng đến kết nối với các ô lân cận, các kênh của chúng đóng lại và các ô lân cận bị ngắt kết nối với hàng xóm bị hư hỏng. Một nhà khoa học nổi tiếng đã nói: “Các tế bào tim làm việc cùng nhau nhưng lại chết một mình”. Bây giờ chúng ta biết tại sao điều này có thể thực hiện được.

Tính năng động của các connexon không chỉ quan trọng đối với khả năng sống sót. Người ta đã chứng minh rằng các điểm tiếp xúc có tính thấm cao có thể được tìm thấy ở giai đoạn phát triển sớm nhất của phôi của nhiều loài động vật khác nhau; chúng kết nối các tế bào xuất hiện trong lần phân chia đầu tiên của trứng và trong quá trình phát triển tiếp theo, chúng xuất hiện hoặc biến mất. Sau đó, các tế bào tác động lẫn nhau bằng một số chất, sau đó các vùng của phôi được tách ra khỏi nhau và sau đó mô đồng nhất từ ​​các tế bào giống hệt nhau phát triển ở những vùng này; sau đó các khu vực này lại được kết nối bằng các liên hệ với hàng xóm và toàn bộ trò chơi liên hệ phức tạp này thực hiện các chức năng nhất định trong việc điều hòa sự phát triển bình thường. Tất cả điều này cho thấy rằng tín hiệu trong ES là một “nghề” phụ của cấu trúc, giống như bơm ion, đóng vai trò cơ bản và tổng quát hơn trong sự phát triển của sinh vật và hoạt động của các mô của chúng.

Tương tự như vậy, nguyên lý hoạt động của các khớp thần kinh hóa học được sử dụng trong sinh vật không chỉ để truyền thông tin mà còn cho các mục đích khác. Do đó, nhiều tế bào tiết khác nhau sử dụng ion Ca2+ để điều chỉnh việc giải phóng chất tiết, giống như trong khớp thần kinh hóa học, quá trình này được sử dụng để giải phóng chất dẫn truyền. Lưu ý rằng tế bào của nhiều tuyến có thể bị kích thích bằng điện.

Ví dụ, hãy xem xét công việc của các tế bào B tuyến tụy sản xuất insulin. Trên bề mặt của các tế bào này có các thụ thể phản ứng với mức độ glucose trong dịch mô rửa sạch chúng. Nếu nồng độ glucose trong máu cao hơn bình thường, thì dưới tác động của các thụ thể này, tế bào sẽ bị khử cực (do đóng kênh kali) và các điện thế hoạt động này xuất hiện trong chúng. về bản chất, chúng phát sinh do việc mở kênh Ca. Trong trường hợp này, ion Ca2+ đi vào tế bào, dẫn đến giải phóng insulin vào máu, như trường hợp các đầu dây thần kinh, nó dẫn đến giải phóng chất trung gian. Vai trò của canxi trong việc giải phóng nhiều chất khác nhau, đặc biệt là các hormone, cũng được thể hiện ở nhiều tuyến khác. Cần lưu ý rằng cơ chế được mô tả về sự xuất hiện của điện thế hoạt động trong tế bào tuyến tụy cũng có thể xảy ra trong các tế bào của vùng dưới đồi, phản ứng với các mức độ tập trung khác nhau của một số hormone nhất định,

Các tế bào khác nhau của cơ thể giải phóng các chất khác nhau vào môi trường của chúng; Trước hết, đây là những tế bào tuyến. Những chất này được đóng gói trong các thùng chứa màng - túi và sự giải phóng chúng được điều hòa bởi các ion Ca2+, đi vào tế bào thông qua các kênh canxi đặc biệt. Kết quả của quá trình tiến hóa là cơ chế này bắt đầu được các tế bào thần kinh sử dụng trong việc cấu tạo các khớp thần kinh hóa học; các vật chứa chứa chất trung gian, và sau đó việc giải phóng nó được tổ chức giống như cách giải phóng hormone và các chất khác, và theo quan điểm này, các tế bào thần kinh có khớp thần kinh hóa học là một trong những biến thể của tế bào tiết, và chất trung gian là bí mật của họ, không chỉ được truyền vào máu và đến được những người tiêu dùng rất cụ thể thông qua khe hở tiếp hợp. Mặt khác, hoạt động của tế bào tuyến cũng tương tự như hoạt động của tế bào thần kinh, nhưng điện thế hoạt động của chúng có tác dụng mở kênh canxi và cho ion Ca2+ đi vào. Chúng ta thấy điều tương tự ở tế bào cơ, nơi điện thế hoạt động mở cổng cho các ion Ca 2+, kích hoạt quá trình co bóp.

Vì vậy, thứ nhất, một lần nữa chúng ta thấy sự giống nhau chặt chẽ của các cơ chế được sử dụng bởi các tế bào khác nhau của cơ thể cho các mục đích khác nhau, và thứ hai, nhìn về phía trước, chúng ta có thể gợi ý rằng bí mật về màu sắc cảm xúc của cảm giác và biểu hiện cao nhất của trạng thái thần kinh Hoạt động của bộ não con người là cảm giác của ý thức và suy nghĩ - nằm chính xác trong sự thống nhất của các chức năng thần kinh. những thứ kia. nó có đặc tính vừa là tế bào thần kinh (tạo ra và dẫn truyền xung điện) vừa là tế bào tiết.

9. Sự phụ thuộc chức năng của tế bào thần kinh vào hình dạng của nó.

Các chức năng sinh lý của tế bào thần kinh phần lớn được xác định bởi tính chất điện của nó. Chúng ta đã biết rằng tế bào thần kinh có nhiều hình dạng khác nhau, với các sợi trục của chúng về nguyên tắc là hình dây cáp và phần thân của chúng gần như hình cầu. Bằng cách so sánh các đặc tính điện của một hình cầu và một hình trụ được tạo thành bởi các màng giống hệt nhau, chúng ta sẽ thấy hình dạng của tế bào dễ bị kích thích đóng vai trò quan trọng như thế nào trong việc xác định các đặc tính này.

Các thông số điện đặc trưng cho tế bào thần kinh có thể được chia thành hai nhóm: 1) các thông số đặc trưng cho chất của màng và tế bào chất - điện trở riêng của màng (Rm), bằng 1-10 kOhm/cm2, điện dung riêng của nó (1 μF/cm2) và điện trở đặc hiệu tế bào chất (Ri) bằng khoảng 100 Ohm.cm; các tham số này không phụ thuộc vào hình dạng của ô; 2) các tham số hệ thống; chúng mô tả toàn bộ sợi, tế bào hoặc hệ thống các tế bào được kết nối và phụ thuộc vào kích thước và hình dạng; một trong những thông số của hệ thống là điện trở đầu vào của nó - Rin

Điện trở đầu vào là tỷ lệ giữa sự thay đổi điện thế màng của tế bào với lượng dòng điện truyền vào nó: Rin = DV/I. Do đó, điện trở đầu vào tương tự như điện trở bình thường của phần sợi thần kinh.

Điện trở đầu vào của sợi trục (hình trụ) được biểu thị bằng công thức:

Rin = 1/p 2(Rm Ri)/8a3,Ở đâu Một- bán kính sợi trục .

Trong công thức này, Rm và Ri lần lượt là điện trở của màng và tế bào chất của sợi trục, tức là các thông số của nhóm 1; mọi thứ khác được xác định bởi hình dạng của sợi như một hình trụ có chiều dài lớn hơn nhiều so với bán kính của nó. Điều gì sẽ xảy ra nếu một ô hình cầu có bán kính a được làm từ cùng một vật liệu? Người ta đã chứng minh rằng ngay cả trong các tế bào hình cầu rất lớn (đường kính 1 mm), sức cản của tế bào chất chỉ bằng 0,1% sức cản của màng; trong các tế bào hình cầu có đường kính nhỏ hơn đáng kể (tất cả các tế bào thần kinh đều như thế này), có thể bỏ qua điện trở của tế bào chất và trên thực tế, điện trở đầu vào của tế bào hình cầu chỉ phụ thuộc vào điện trở suất của màng và bán kính của nó: Rin = Rm / 4pa3

Do đó, trong một tế bào hình cầu, điện trở đầu vào tỷ lệ thuận với điện trở màng, vì vậy nếu khi tế bào bị kích thích, điện trở suất của màng tế bào giảm đi 36 lần thì điện trở đầu vào của hệ thống cũng sẽ giảm. gấp 36 lần.

Đối với một sợi quang, điện trở đầu vào chỉ tỷ lệ 2Rm nên nếu trong quá trình kích thích, điện trở màng cũng giảm đi 36 lần thì điện trở đầu vào sẽ chỉ thay đổi 6 lần.

Làm thế nào tất cả điều này ảnh hưởng đến chức năng của tế bào thần kinh? Trong tế bào hình cầu, điện thế màng không biến mất ngay lập tức như trong sợi hình trụ mà biến mất chậm - theo cấp số nhân. Điện thế sau khớp thần kinh tỷ lệ thuận với điện trở đầu vào của màng sau khớp thần kinh, do đó, trong tế bào hình cầu có đường kính. là 10 micron, điện thế sau synap sẽ lớn hơn 100 lần so với trong tế bào có đường kính 100 µm. Điện trở đầu vào càng thấp thì hiệu quả của các khớp thần kinh kích thích càng thấp. Chất trung gian synap ức chế trong tế bào hình cầu làm giảm sức cản đầu vào của màng sau synap, do đó làm giảm hiệu quả của các xung kích thích; trong sợi hình trụ, hiệu ứng này nhỏ hơn nhiều.

Điện thế màng trên màng tế bào hình cầu giảm chậm làm tăng đáng kể hiệu quả tổng hợp tạm thời trong đó. Hình dạng và kích thước khác nhau của các tế bào thần kinh ở vỏ não không phải là hiện tượng ngẫu nhiên!

Độ dẫn điện của sợi thần kinh khi đường kính của nó thay đổi. Người ta đã chứng minh rằng trong cùng một sợi, trước khi giãn nở, xung thần kinh chậm lại và biên độ của nó giảm; Khi sợi giãn nở sáu lần, PD không thể đi qua quá trình giãn nở này. Ngược lại, khi sợi thu hẹp lại, khi nó đến gần vị trí thu hẹp, tốc độ xung tăng lên và biên độ của nó tăng lên. Sự gia tăng biên độ AP ở cuối đầu cuối là rất quan trọng đối với hoạt động của các khớp thần kinh hóa học, vì nó cải thiện các điều kiện giải phóng các chất trung gian nếu một sợi trục thuôn nhọn chia thành hai nhánh có tổng đường kính nhỏ hơn. đường kính tại vị trí phân nhánh thì AP trước khi phân nhánh sẽ tăng tốc và nếu tổng đường kính của các nhánh lớn hơn - tốc độ PD sẽ chậm lại và thậm chí có thể bị chặn. Độ dẫn điện của đuôi gai. Theo hướng dẫn truyền kích thích, đuôi gai bắt đầu bằng nhiều nhánh mỏng, nhiều nhánh liên tục hợp nhất thành các nhánh dày hơn và kết thúc thành các thân dày trên thân tế bào thần kinh. Chiều dài của đuôi gai lớn hơn hàng chục lần so với đường kính của thân tế bào thần kinh và độ dày của các nhánh cuối có thể là một phần micromet. Ở một số sợi nhánh, màng không thể bị kích thích (không tạo ra AP) và chỉ có thể truyền tín hiệu điện tử như một dây cáp thụ động; ở một số khác, nó có khả năng tạo ra và dẫn điện thế hoạt động giống như sợi trục, nhưng theo hướng của thân tế bào thần kinh. Trong trường hợp đầu tiên, như các nhà khoa học tin rằng, nhiều khớp thần kinh nằm trên các nhánh mỏng cuối cùng và hoạt động chung của các khớp thần kinh này sẽ đến được cơ thể của tế bào thần kinh. Đánh giá định lượng cho thấy hiệu quả của các khớp thần kinh đuôi gai chỉ thấp hơn 3-5 lần so với các khớp thần kinh nằm trên thân tế bào thần kinh. Điện thế trương điện được nhận ở khớp thần kinh đuôi gai ở khớp thần kinh đuôi gai do bán kính của đầu đuôi gai nhỏ và. do đó kích thước lớn của nó để tiếp cận hiệu quả điện trở đầu vào của tế bào (xem ở trên). Lực này đủ để bù cho sự suy giảm của tín hiệu khi nó di chuyển theo hướng giãn nở đuôi gai.

Trong các tế bào thần kinh có màng đuôi gai có khả năng tạo ra và dẫn truyền điện thế hoạt động, hiệu quả cao tương tự của các khớp thần kinh đuôi gai dẫn đến thực tế là chỉ một số ít khớp thần kinh sẽ đưa điện thế màng đến ngưỡng và gây ra điện thế hoạt động ở nhánh này sẽ bắt đầu lan tới thân tế bào. Số phận tiếp theo của nó sẽ phụ thuộc vào đặc tính của các nút phân nhánh mà nó phải truyền trên đường đến thân nơ-ron, vào số lượng và sự trùng hợp theo thời gian của các điện thế hoạt động đến các vị trí phân nhánh dọc theo các nhánh khác, v.v. Kết quả là loại tế bào này hoạt động giống như một mạch logic phức tạp. Các tế bào có hệ thống đuôi gai phức tạp hoạt động giống như các phần tử máy tính rất phức tạp.

Chức năng của gai đuôi gai . Trên sợi nhánh của nhiều tế bào thần kinh có những dạng đặc biệt, được gọi là như vậy. gai. Những hình dạng giống nấm này, có hình dạng giống như một cái đầu trên một thân cây mỏng, tượng trưng cho phần nhô ra của màng tế bào của một sợi nhánh, trên đó một khớp thần kinh hóa học được hình thành với đầu cuối của một tế bào thần kinh khác. Các nhà khoa học tin rằng chức năng của cột sống như sau. Trong trường hợp màng không bị kích thích, các gai làm giảm đáng kể ảnh hưởng lẫn nhau của các khớp thần kinh lân cận lên màng sau synap của dendrite, trong đó, nếu không có gai, điện trở đầu vào của dendrite sẽ giảm đáng kể cuối cùng và do đó làm giảm mức điện thế màng. Các tính toán đã chỉ ra rằng mặc dù các khớp thần kinh cột sống riêng lẻ kém hiệu quả hơn so với các khớp thần kinh nằm trực tiếp trên dendrite, nhưng hiệu quả tổng thể của công việc của chúng cao hơn đáng kể.

Nếu màng cột sống dễ bị kích thích thì nó có thể hoạt động như một bộ khuếch đại truyền dẫn qua khớp thần kinh. Do cổ mỏng nên điện trở đầu vào của cột sống rất cao và một khớp thần kinh có thể gây ra một điện thế hoạt động trong đầu, điều này sẽ truyền một dòng điện vào dendrite mạnh hơn nhiều so với dòng điện của khớp thần kinh.

10. Chức năng của thần kinh đệm.

Khoảng trống giữa các tế bào thần kinh trong hệ thần kinh trung ương chứa đầy các tế bào hỗ trợ chuyên biệt gọi là glia. Số lượng của chúng cao gấp 5-10 lần số lượng tế bào thần kinh. Glia cũng tạo thành vỏ myelin của các sợi trục ngoại vi của tế bào thần kinh.

Các tế bào thần kinh đệm được chia thành hai nhóm - tế bào hình sao và tế bào hình sao ít nhánh. hoạt động của tế bào thần kinh. Chức năng dinh dưỡng của glia liên quan đến tế bào thần kinh chưa được chứng minh, mặc dù chúng có thể làm thay đổi khả năng tiếp cận oxy và glucose đến tế bào thần kinh. ngăn chặn dòng chảy tương ứng của chất lỏng giữa các tế bào. Tế bào hình sao có thể thay đổi tín hiệu truyền qua các khớp thần kinh bằng cách chặn một số phần màng trong khe hở tiếp hợp. Ở những nơi não bị tổn thương hạn chế, tế bào hình sao thực hiện chức năng vệ sinh, tham gia loại bỏ các mảnh tế bào thần kinh chết.

Oligodendrocytes quấn quanh các sợi trục của tế bào thần kinh và tạo thành vỏ myelin của chúng trong hệ thống thần kinh trung ương. Một loại tế bào ít nhánh, tế bào Schwann, tạo thành vỏ myelin không liên tục của các sợi trục ngoại vi.

11. Sự tăng trưởng và phát triển của tế bào thần kinh trong quá trình hình thành bản thể.

Một tế bào thần kinh phát triển từ một tế bào tiền thân nhỏ và ngừng phân chia ngay cả trước khi nó thực hiện các quá trình của mình.

Câu hỏi về sự phân chia của các tế bào thần kinh hiện vẫn còn gây tranh cãi. cũng như tính hữu ích của quá trình này đối với cơ thể được hình thành. Tái tạo các quá trình bị hư hỏng từ cơ thể tế bào là một thực tế đã được chứng minh đầy đủ. Thông thường, sợi trục bắt đầu phát triển trước và đuôi gai hình thành sau. Vào cuối quá trình phát triển của tế bào thần kinh, một lớp dày lên có hình dạng bất thường sẽ xuất hiện - một "hình nón phát triển", dường như nó đi qua các mô xung quanh. Nón phát triển là một phần dẹt của quá trình tế bào thần kinh có nhiều gai mỏng. Microspike có độ dày 0,1--0,2 µm và chiều dài lên tới 50 µm. Để so sánh, hãy nhớ rằng đường kính của hồng cầu ở người là 7,3 micron. Vùng rộng và phẳng của hình nón phát triển có chiều rộng và chiều dài khoảng 5 µm. Khoảng trống giữa các microspin được bao phủ bởi một lớp màng gấp.

Microspike đang chuyển động liên tục. Một số chúng được rút lại thành hình nón, một số khác kéo dài ra, lệch theo các hướng khác nhau, chạm vào chất nền và có thể dính vào nó. Ngay bên dưới các vùng gấp của màng và trong các gai là một khối dày đặc các sợi Actin, ty thể, vi ống và các sợi thần kinh tương tự như của cơ thể tế bào thần kinh.

Có khả năng là các vi ống, sợi thần kinh và sợi Actin (xem bên dưới) dài ra chủ yếu do có thêm các tiểu đơn vị mới được tổng hợp ở đáy của quá trình thần kinh. Chúng di chuyển với tốc độ khoảng một milimet mỗi ngày, tương ứng với tốc độ vận chuyển sợi trục chậm trong một tế bào thần kinh trưởng thành. Vật liệu màng mới được thêm vào, dường như ở cuối. Các túi màng nhỏ được vận chuyển dọc theo quá trình tế bào thần kinh từ thân tế bào đến tế bào hình nón phát triển với dòng vận chuyển sợi trục nhanh. Vật liệu màng rõ ràng được tổng hợp trong cơ thể tế bào thần kinh, được vận chuyển đến tế bào hình nón phát triển dưới dạng túi và được kết hợp ở đây vào màng sinh chất bằng quá trình xuất bào, do đó kéo dài quá trình của tế bào thần kinh.

Sự phát triển của sợi trục và đuôi gai thường xảy ra trước giai đoạn di chuyển nơ-ron thần kinh, khi các nơ-ron chưa trưởng thành phân tán và tìm thấy nơi cư trú lâu dài trong mạng lưới thần kinh.

Sự thật xưa rằng cá là thức ăn đặc biệt cho não không phải là không có cơ sở - bởi cá là sinh vật sống đầu tiên có não. Dòng điện não của họ đạt đến sức mạnh khủng khiếp. Ngày nay có những loài cá có điện thế cao gấp hàng trăm lần so với loài sứa cổ đại. Một số trong số chúng, chẳng hạn như lươn điện, có thể tạo ra dòng điện 600 volt, chúng không gì khác hơn là pin sống, một phần năng lượng điện được tạo ra bởi não. Bộ não con người cũng là một cơ quan điện hóa, nhưng chỉ có thể tạo ra một điện áp nhỏ - tối đa là 1/10 volt ở dòng điện tối thiểu. Năng lượng này được vận chuyển bởi các tế bào thần kinh, hay còn gọi là tế bào thần kinh, trong đó trung bình một người có 15 tỷ tế bào thần kinh và được kết nối với nhau theo một cách nhất định. Giữa chúng là cái gọi là glychacelia. Một tế bào thần kinh điển hình của động vật có xương sống bao gồm thân tế bào và các quá trình tế bào khác nhau. Các quá trình ngắn hơn, thường phân nhánh nhiều và mỏng được gọi là đuôi gai (các quá trình giống như cây của tế bào thần kinh trong não). Chúng nhận được kích thích điện và truyền nó đến cơ thể tế bào, nơi xử lý tất cả các tín hiệu đến. Để đáp lại các tín hiệu nhận được, về phần mình, nó có thể tạo ra các xung điện. Chúng di chuyển từ cơ thể tế bào thông qua một phần dài gọi là sợi trục (sợi thần kinh).
Thông tin được truyền đi được mã hóa theo tần số (số lượng xung điện mỗi giây), được đo bằng hertz.
Cuối cùng, một sợi thần kinh tiếp xúc với các sợi khác (tự nhiên là với các tế bào tuyến và cơ). Những vị trí liên lạc này được gọi là khớp thần kinh. Đầu mút của các sợi thần kinh ở những nơi này hầu hết có dạng hình cầu nên được gọi là đầu mút nút khớp thần kinh.
Trong hình. Trong Hình 2, chúng ta thấy một tế bào thần kinh có đầu khớp thần kinh, trong não được kết nối với một tế bào thần kinh khác, như có thể thấy trong bức ảnh gốc ở Hình. 1, được chế tạo bằng kính hiển vi điện tử.

Một dây thần kinh bao gồm nhiều sợi thần kinh song song với nhau. Truyền tín hiệu trong dây thần kinh là một quá trình điện. Ở trạng thái nghỉ, các ion dương và âm được sắp xếp dọc theo mặt phẳng bên trong và bên ngoài của tế bào thần kinh, trái ngược với bề mặt bên ngoài của tế bào thần kinh, bề mặt bên trong của nó mang điện tích âm. Điện áp này không đáng kể (khoảng 70 phần nghìn volt) và được gọi là điện thế nghỉ. Khi đạt đến một mức điện áp nhất định, sự phóng điện xảy ra ở gốc sợi thần kinh, thời gian xảy ra là một phần nghìn giây. Sự phóng điện này di chuyển qua tất cả các sợi thần kinh đến đầu khớp thần kinh.

Sử dụng điện não đồ, bạn có thể ghi lại các dòng điện não này như trong Hình 3.
Tần số (số lần rung mỗi giây) của dòng điện thay đổi tùy theo trạng thái ý thức của con người. Ở các trạng thái ý thức “tự nhiên”, chẳng hạn như tỉnh táo, ngủ và mơ, có thể ghi lại các đường cong dòng điện não rất khác nhau. Vì vậy, ví dụ, trạng thái tỉnh táo được biểu thị bằng sóng nhanh, cái gọi là sóng beta, ngược lại, ngủ - bằng sóng chậm, cái gọi là sóng delta, v.v. Trong Hình 4 bạn có thể thấy các dạng sóng.
Ngoài ra, trong tình trạng “bị kích động” (gây ra bởi các bài tập phát triển Linh hồn tương ứng được nghiên cứu trong sách giáo khoa này), cái gọi là các trạng thái ý thức đặc biệt, các đường cong dòng điện trong não thay đổi theo một cách đặc trưng, ​​như được thể hiện trong điện não đồ của một người đầu tiên ở trạng thái này. trạng thái tỉnh táo tĩnh lặng, và sau đó ở trạng thái thiền định.

Trong các trạng thái ý thức đặc biệt (SSC) này, bao gồm:
1. tỉnh táo.
2. trạng thái của những giấc mơ ban ngày,
3. trạng thái xuất thần,
4. Trạng thái thiền và trước
5. Các trạng thái ý thức vũ trụ, xuất hiện nhiều đường cong dòng điện não khác nhau, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn khi thảo luận về các trạng thái ý thức. Với NDE, các dòng năng lượng trong não của một người có thể được ví như các dòng năng lượng vũ trụ của toàn bộ Vũ trụ, có thể tham gia vào việc thực hiện tất cả các hiện tượng ngoại cảm và hiện tượng Psi.
Ý tưởng về sự tồn tại của năng lượng vũ trụ phổ quát mà một người có thể sử dụng và với sự trợ giúp của nó để thực hiện các hiện tượng siêu cảm giác, có nguồn gốc sâu xa trong nền văn hóa của mọi dân tộc. Khái niệm nổi tiếng nhất mà chúng ta tìm thấy trong triết học Ấn Độ là sự tồn tại của prana, được hiểu là năng lượng vũ trụ tồn tại ở năm dạng khác nhau và hỗ trợ các quá trình sống dưới dạng “gió của cơ thể”.
Các văn bản thiêng liêng của người theo đạo Hindu và đạo Phật mô tả cùng một năng lượng nguyên thủy của vũ trụ, được chỉ định bởi âm tiết thần bí “Om” hoặc “Aum”, cả hai âm tiết sẽ gây ra những rung động trong não đưa các luân xa (trung tâm thần kinh của con người) khác nhau vào trạng thái cho phép chúng để nhận năng lượng vũ trụ (quan trọng).
Kinh thánh mô tả sinh lực vô hình duy trì nguyên lý thiêng liêng tổng thể là “Chúa Thánh Thần”; “Hay bạn không biết rằng thân thể bạn là đền thờ của thần khí thánh, Đấng ở trong bạn, mà bạn đã nhận được từ Thiên Chúa và không thuộc về bạn?” (1 Cô-rinh-tô 6.19).
Trong giảng dạy châm cứu của Nhật Bản, chúng ta tìm thấy "Ki", ​​​​trong tiếng Trung là "Chi", chỉ năng lượng quan trọng như một dòng sông, nguồn của nó nằm ở một điểm phía trên rốn và được phân phối khắp cơ thể từ phổi thông qua mạng lưới được gọi là "kinh tuyến" (kênh thần kinh). Mọi vật chất đều được coi là biểu hiện của năng lượng này ở cấp độ vật chất.
Aristotle, triết gia và nhà khoa học vĩ đại người Hy Lạp (384-322 trước Công nguyên). đã sử dụng ký hiệu “ether” cho nguyên tố thứ năm, ban đầu bao gồm tất cả các vật thể nằm bên ngoài bầu khí quyển trái đất. Và tinh thần con người, được Aristotle mô tả là năng lượng phi vật chất thuần túy, theo cách hiểu của ông, đến từ ether.
Các nhà vật lý thời Trung cổ giải thích ether là chất lấp đầy không gian. Họ cho rằng ánh sáng được tạo ra bởi sự chuyển động của các sóng trong ether này, có thể đưa nó đến trái đất thông qua chân không. Vì vậy, nó thường được gọi là “ête phát sáng”.