שְׁאֵלָה:
כיצד המוח והעצבים יוצרים פעימות חשמל?
johnny1bucket
2011-12-15 20:27:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

המידע בין המוח לעצבים ההיקפיים נשלח באמצעות פעימות או אותות חשמליים. כיצד אז תא אנושי שאינו מתכתי מצליח להעביר אות חשמלי?

על מנת למשוך את המומחים, מן הסתם עלינו להימנע משאלות רחבות ובסיסיות בשלב מוקדם זה של בטא.
שאלה זו העלתה [דיון על מטה] (http://meta.biology.stackexchange.com/questions/17/should-we-encourange-the-relevant-questions-from-non-professionals).
הייתי טוען שאם מישהו כל כך "מומחה" עד כדי כך שיגרש אותו משאלה כזו, אז טוב לב. בטח, אתה רוצה להישאר בנושא, אבל קדימה! זו הייתה שאלה נהדרת, ותשובה מאוד אינפורמטיבית ומחושבת. קצת פחות טכני מהאידיאל? יתכן, אך סגירתו היא תגובת יתר.
@Dr.Dredel אנא עיין בדיון על מטא והערה שם
שתיים תשובות:
#1
+44
yamad
2011-12-15 23:26:25 UTC
view on stackexchange narkive permalink

זו שאלה די גדולה! אנסה להתוות את התצוגה הבסיסית.

ראשית, בואו נסקור כיצד נוירונים מאותתים ביניהם. הדרך הקנונית של נוירון להעביר אות לנוירון במורד הזרם היא על ידי יצירת פוטנציאל פעולה , "הדחף החשמלי" ששמעת עליו. פוטנציאל פעולה זה גורם לשחרור של נוירוטרנסמיטר בנקודה בה שני התאים קרובים מאוד זה לזה המכונה סינפסה . התא הפוסט-סינפטי במורד הזרם מקבל את האות המוליך העצבי וממיר אותו לאות חשמלי קטן. אם מספיק מאותות חשמליים קטנים אלה מתרחשים תוך זמן קצר, הם מסתכמים יחד וסביר להניח שהם יזמו פוטנציאל פעולה בתא השני והמעגל יחזור לאורך כל המעגל.

כיצד נוצר האות החשמלי. ? את היסודות של אופן העבודה הזה עבדו המפורסמים ביותר על ידי הודג'קין והוקסלי בשנת 1952. הסיפור הקצר הוא ש קרום הפלזמה חדיר באופן סלקטיבי ליונים . בואו נבנה את הרעיון מהיסוד.

ארגז הכלים

  1. דמיין כדור של קרום פלזמה המייצג נוירון פשוט. בתור התחלה, אנו מניחים כי קרום זה הוא שומנים חשופים ללא חלבונים הקשורים לקרום. בגלל ההידרופוביות של הדו שכבה, חלקיקים טעונים אינם יכולים להתפזר דרך הממברנה.

  2. התא רוחץ, בתוך ומחוץ, בתמיסה המכילה יונים (אטומים טעונים) רבים, כולל נתרן (Na +), אשלגן (K + ), כלוריד (Cl-) וסידן (Ca2 +). כפי שציינו לעיל, יונים אלה אינם יכולים לעבור דרך הממברנה ללא "עזרה".

  3. כעת אנו מוסיפים חלבון משאבת יון לשאוב יונים של נתרן החוצה ויוני אשלגן פנימה. משאבה מסוימת זו, ה Na-K ATPase יוצרת עודף של יונים נתרן מחוץ לתא ועודף של יונים אשלגן בפנים. >

  4. כעת אנו מוסיפים קרום אשלגן יון לממברנה. חלבון זה יוצר נקבובית בקרום שמאפשרת רק ליוני אשלגן לעבור. נקבובית חלבון מסוימת זו פתוחה תמיד. עכשיו הדברים מתחילים להיות מרגשים ...

  5. מה עושים יוני האשלגן עכשיו שהם יכולים לעבור דרך הקרום? יונים ינועו על סמך הכוחות שנוצרו על ידי ה שיפועים האלקטרוכימיים שלהם. המשאבה יצרה שיפוע כימי על ידי הכנסת עודף K + פנימה, כך שיוני K + מתחילים לזרום החוצה דרך תעלות היונים. אבל יונים של K + טעונים באופן חיובי, ולכן כשהם זורמים החוצה, מטען חיובי מתחיל להצטבר בחוץ ומטען שלילי מצטבר בפנים. שיפוע חשמלי זה מתנגד לשיפוע הכימי, ונוטה למשוך את יוני K + לתא ואילו הדרגתיות הכימית מושכת את יוני K + החוצה. הזרימה והזרם מגיעים לשיווי משקל ב הפוטנציאל הנרנסט, שם הכוחות החשמליים והכימיים משתווים. עבור ריכוזים פיזיולוגיים של יוני K +, פוטנציאל שיווי המשקל K + הוא כ -80 mV או -90 mV. המשמעות היא שיוני K + יזרמו עד שחלקו החיצוני של התא יהיה 80-90mV חיובי יותר מבפנים התא. התחלנו ב 0mV, כך שיוני K + בעיקר זורמים החוצה.

  6. כעת יש לנו פוטנציאל ממברנה , הבדל בפוטנציאל החשמלי בין הפנים לפנים מחוץ לתא בערך -80mV (בדרך כלל קרוב יותר ל- -70mV או -60mV ב"חיים האמיתיים "). בפרט, פוטנציאל הממברנה הזה הוא פוטנציאל המנוחה שקיים כאשר התא אינו פעיל. אנו יכולים לפשט לעת עתה ולחשוב על פוטנציאל המנוחה שנקבע על ידי חדירות מנוחה של הממברנה ליוני אשלגן, אך לא ליוני נתרן. אנו מכנים קרום זה מקוטב, ולפיכך דפולריזציה היא כאשר פוטנציאל הממברנה הופך לחיובי יותר, ו היפרפולריזציה הוא כאשר פוטנציאל הממברנה הופך להיות שלילי יותר.

  7. כעת אנו מוסיפים לקרום תעלת נתרן עם מתח מתח , תעלת יונים העוברת רק יונים נתרן אך בדרך כלל סגורה. פירוש המתח הוא שתעלת יונים זו רגישה לפוטנציאל הממברנה. בפוטנציאל המנוחה הנקבובית סגורה והקרום עדיין אטום ליוני נתרן. כאשר פוטנציאל הממברנה הופך להיות מעט יותר חיובי, התעלות נפתחות ויוני נתרן יכולים לזרום. ערוץ זה גם אינו פעיל , כך שכאשר הוא נפתח הוא נפתח רק לפרק זמן קצר, מכניס כמות מוגבלת של נתרן.

  8. באיזו דרך יזרום נתרן כשאנחנו פותחים את הערוץ הזה? בגלל פוטנציאל המנוחה השלילי (-70mV) ועודף יוני הנתרן בחוץ עקב המשאבה, שיפוע החשמל והכימי גם יניעו יוני נתרן לתא. פוטנציאל שיווי המשקל בנתרן הוא בדרך כלל סביב +60mV.

  9. להשלמת המכונות ליצירת פוטנציאל פעולה, אנו מוסיפים גם תעלת אשלגן מגודרת מתח לקרום. זה עובד בדיוק כמו תעלת הנתרן המחוברת למתח שגם היא סגורה במנוחה ונפתחת כאשר פוטנציאל הממברנה הופך לחיובי יותר. ערוץ זה נפתח לאט יותר מאשר תעלת הנתרן, אך אינו פעיל.

יצירת פוטנציאל פעולה

אוקי, אז איך חלקים אלה מתאחדים ליצירת דחף חשמלי?

  1. התא יושב בפוטנציאל הממברנה המנוחה שלו, עם כל תעלות מגודרות המתח שלו סגורות. הוא מקבל אות מתא במעלה הזרם הגורם לדפולריזציה קלה. פוטנציאל הפעולה יתחיל כאשר פוטנציאל הממברנה יגיע ל פוטנציאל הסף .

  2. בפוטנציאל הסף, תעלות הנתרן המחוברות למתח נפתחות ומאפשרות ליוני נתרן לזרום לתא. שטף הנתרן מושך את הממברנה מפוטנציאל המנוחה (-70mV) לכיוון פוטנציאל שיווי המשקל בנתרן (+ 60mV). ערכים אלה מרוחקים זה מזה, ולכן הכוח המניע גדול והקרום מתפולר במהירות. זהו פוטנציאל הפעולה התקפה .

  3. הדפולריזציה מפעילה גם את תעלות האשלגן (מעט איטיות יותר). יוני האשלגן זורמים החוצה ומניעים את הקרום הדפולריזציה (כ- 20mV בשיא פוטנציאל הפעולה) חזרה לכיוון פוטנציאל שיווי המשקל באשלגן (-80mV). יחד עם זאת, תעלות הנתרן אינן פעולות כך שהנתרן כבר אינו מקוטב את הקרום. קצב הריפולריזציה בדרך כלל איטי יותר משיעור הדפולריזציה. זהו פוטנציאל הפעולה שבץ מוחי .

  4. כל התהליך של מחזור הדפולריזציה / רפולריזציה של פוטנציאל הפעולה לוקח בערך 2-3 אלפיות השנייה ב"ממוצע " עֲצָבוֹן. ברגע שהתא מגיע שוב לפוטנציאלים של מנוחה, הקרום בעצם מאופס. הערוצים המחוברים למתח כבויים. משאבת היונים מזיזה את יוני האשלגן שזרמו החוצה ואת יוני הנתרן שזרמו פנימה. אותה פיסת קרום מוכנה לירות פוטנציאל פעולה נוסף!

כהערה אחרונה, אזכיר כי תעלת הנתרן המחוברת למתח מספקת מנגנון לפוטנציאל הפעולה ל התפשטות במורד האקסון. פוטנציאל הפעולה יוזם במיקום אחד של התא ויוצר דפולריזציה. דפולריזציה זו גורמת לתעלות הנתרן המוגדרות מתח באזורים סמוכים של הממברנה להיפתח וליצור מעגל פוטנציאל פעולה משלהן. כך פוטנציאל פעולה עובר במורד האקסונים (ולעתים גם דנדריטים).

סיכום מסודר לשאלה רחבה! לאילו הבדלים אתה מתייחס עם פוטנציאל המנוחה להיות "בדרך כלל קרוב יותר ל -70 mV או -60 mV ב'חיים האמיתיים '"? כמו כן, האם זה לא משתנה בין התאים?
בתשובה לעיל אני מפשט ואומר כי פוטנציאל קרום המנוחה * הוא * פוטנציאל שיווי המשקל באשלגן. זה בדרך כלל לא המקרה, כאשר מרבית פוטנציאלי המנוחה יושבים מעט חיוביים יותר ומצביעים על מעורבותם של יותר יונים / ערוצים מאשר רק אשלגן. כן, פוטנציאל מנוחה משתנה בין התאים. אני לוקח -70mV או -60mV בתור פוטנציאל המנוחה "כלל האצבע" מכיוון שהוא בדרך כלל מחזיק בתאי עצב מעוררים ראשוניים רבים כמו נוירונים הפירמידה בהיפוקמפוס ובקליפת המוח.
זה מאוד מעניין, אבל אני באמת תוהה כשאתה כותב "אנחנו מוסיפים" מה זה אומר? האם יש תאים מסייעים המספקים יונים דרושים לנוירונים? האם זה איכשהו מועבר לזרוק בדרך שעובר האות העצבי (במהלך הדחפים)? או שמא התזונות פשוט שוחררו לנוזל השדרה כמו הורמונים?
@Probably אני בונה בתשובה מודל פשוט של נוירון. כשאני אומר "אנו מוסיפים" אני מתכוון "הוסף זאת למודל הנפשי שלך של חלקי המערכת".
כן, אני מבין, תודה, רק שאלתי יותר לעומק. למרבה המזל, כבר שאלתי את השאלה הזו וקיבלתי את התשובה הטובה הזו כאן: http://biology.stackexchange.com/questions/37317/how-do-neurons-receive-the-ions-need-for-creating-electrical- דופקים
#2
+18
Alexander Galkin
2011-12-15 21:55:44 UTC
view on stackexchange narkive permalink

אז בואו נציג כמה מילות מפתח.

"הדופק החשמלי" ש"נשלח בין המוח לעצבים "נקרא פוטנציאל פעולה (AP). לאחר מכן זה מתפשט לאורך סיב עצבי עד לאיבר המטרה.

ביסודו של דבר, לתא עצבי יש גוף ומספר מבנים מורחבים ארוכים ש"נובטים "מגוף התא. ה דנדריטים מקבלים אותות מתאים אחרים והם מעבירים אותות לכיוון גוף התא על ידי יצירת זרמים חשמליים קטנים. ה אקסון הוא "נבט" בודד שלרוב הוא דק יותר וארוך יותר מהדנדריטים והוא מעביר פוטנציאל פעולה מהקרבה לגוף התא לתאי ואיברים. יש אקסונים שיכולים להיות באורך של 80-90 ס"מ (דמיינו!)! במקום בו האקסון עוזב את גוף תאי העצב ישנה בליטה קטנה הנקראת הילון האקסון .

מקורו של ה- AP בחלק מיוחד של האקסון הנקרא האקסון קטע ראשוני (AIS) . הקטע הראשוני הוא החלק הראשון של האקסון כשהוא עוזב את גוף התא ויושב מיד לאחר גבעת האקסון.

הדופק החשמלי הוא פריקה חשמלית קצרה, שניתן לראותה כתנועה פתאומית של רבים חלקיקים טעונים ממקום אחד למשנהו. בתאים שלנו יש לנו יונים של Na + (נתרן), K + (אשלגן) ו- Cl - (כלוריד) (ובמקרים מסוימים גם Ca 2+ ) המהווים חלקיקים טעונים אלה.

ישנם שני סוגים של כוחות מניע עבור חלקיקים אלה: מלבד ה שיפוע הפוטנציאלי , למשל ההבדל במטען הכולל בשני מקומות שונים יש גם כוח נוסף שנקרא שיפוע ריכוז , למשל. ההבדל בריכוז בשני מקומות שונים. כוח זה יכול להצביע לכיוונים מנוגדים, וכך על ידי ניצול כוח אחד (נניח שיפוע ריכוז) נוכל להשפיע על כוח אחר.

מה שאנחנו צריכים כאן שוב הוא מה שמכונה קרום חדיר למחצה , זה רק מחסום ליונים, אך רק עבור ספציפיים. אנו זקוקים לכך מכיוון שהיונים העיקריים שלנו - Na + ו- K + - שניהם טעונים באופן חיובי. לכן קרום התא משמש כקרום חדיר למחצה, ומכניס K + לתאים ו- Ca 2+ יונים כלפי חוץ אך לא להפך. לכן יש לנו שני שיפועי ריכוז : Na + (בחוץ זה השיא) ו- K + (בפנים זה השיא).

על מנת להתחיל את הדופק עלינו להתחיל סחיפה יונית מסיבית ממקום למקום. זה נעשה על ידי התא, והאירוע הראשון כאן הוא השינוי (הגדלה) הדרסטי של החדירות ליוני Na + . Na + יונים נכנסים באופן מאסיבי לתא והמטענים שלהם, עוברים לתא, יוצרים את המכה של פוטנציאל הפעולה .

מנגנון ההגנה של התא מתחיל לפעול מיד נגד פלישת Na + ופותח את שיפוני המילואים - ערוצי K + K + עוזב את התא, לוקח מטען כלשהו וזה מתגלה כדעיכה של פוטנציאל הפעולה. אך תעלות אשלגן בדרך כלל איטיות יותר, ולכן דעיכת הדופק יציבה יותר, לא חדה כמו המכה.

אולי אתה תוהה כעת: מה מביא לשינוי המהיר של חדירות הממברנה אז? ישנם כאן מספר גורמים העשויים לתרום לתהליך זה.

  1. שינוי פוטנציאלי של הממברנה. תעלות נתרן ואשלגן הן רגישות למתח כלומר, אם תצליחו לשנות את פוטנציאל המנוחה של הממברנה, שנוצר עקב שיפועי ריכוז ובדרך כלל הוא בערך -90 ..- 80 mV (מילי וולט) בערך -40 mV זה יפעיל את תעלות הנתרן. כך מתפשט הדחף - מכיוון שמקורו במקום אחד הוא רק מקטין את פוטנציאל המנוחה של אזור הממברנה הסמוך, נתרן נכנס לתא שם ו- AP עובר לאורך העצב. ה- AIS הוא האתר של התחלת AP כיוון שלחלק זה של התא יש צפיפות גבוהה מאוד של תעלות נתרן מגודרות מתח. קולטנים על קרום התא. חלק מהקולטנים הללו הם תעלות יונים בעצמם ונפתחים ישירות כאשר הנוירוטרנסמיטר קשור. קולטנים אחרים פועלים באמצעות אותות תאיים לפתיחת תעלות יונים. כך האות מופיע באתרי מגעים של תאי עצב - נוירוטרנסמיטרים, כמו אצטילכולין או אדרנלין, פשוט פועלים כאן כגורמים לחדירות קרום.

סקירה נחמדה, אבל רציתי להזכיר כמה הבהרות. האם אתה מתכוון * axon hillock * במקום * hill hill *? כמו כן, בקטע הראשוני של האקסון (קצת יותר רחוק לאורך האקסון מאשר הגבעה) מתרחשת למעשה התחלת AP. דנדריטים קצרים יותר אך בדרך כלל בקוטרם גדולים יותר מאקסונים. הייתי משתמש במילה * נוירוטרנסמיטרים * במקום * מתווכים *.
@yamad: אתה צודק לחלוטין! רק אל תהסס לערוך את ההודעה שלי. אני לא דובר שפת אם ולא כתבתי שום דבר על ביולוגיה כבר הרבה זמן, כך שאוצר המילים שלי יכול להיות חלוד ולא מדויק. תודה על התיקונים שלך!
אין בעיה! אתה מדבר / כותב אנגלית טוב יותר מרוב דוברי האנגלית. רק ערכתי כמה עריכות משמעותיות כדי לנסות להבהיר את הדברים. מקווה שזה עוזר.
תודה על דבריך החמים! בדרך כלל אני עובר על ההודעות שלי למחרת ללטש אותם, אני אשלב את דבריך בקרוב.


שאלה ותשובה זו תורגמה אוטומטית מהשפה האנגלית.התוכן המקורי זמין ב- stackexchange, ואנו מודים לו על רישיון cc by-sa 3.0 עליו הוא מופץ.
Loading...