Pitanje:
Kako mozak i živci stvaraju električne impulse?
johnny1bucket
2011-12-15 20:27:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Podaci između mozga i perifernih živaca šalju se električnim impulsima ili signalima. Kako onda nemetalna ljudska stanica uspijeva provesti električni signal?

Kako bismo privukli stručnjake, vjerojatno bismo trebali rano u beta fazi izbjegavati široka i osnovna pitanja.
Ovo je pitanje pokrenulo [raspravu o meta] (http://meta.biology.stackexchange.com/questions/17/should-we-encourange-the-relevant-questions-from-non-professionals).
Tvrdio bih da ako je netko toliko "stručan" da ga se otjera ovakvim pitanjem, onda dobro riješenje. Naravno, želite ostati u tijeku, ali hajde! Ovo je bilo sjajno pitanje i ZAISTA informativan i dobro promišljen odgovor. Nešto manje tehnički od idealnog? moguće, ali zatvaranje je pretjerana reakcija.
@Dr.Dredel pogledajte raspravu o metama i tamo komentirajte
Dva odgovori:
#1
+44
yamad
2011-12-15 23:26:25 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ovo je prilično veliko pitanje! Pokušat ću iznijeti osnovni prikaz.

Prvo, pregledajmo kako neuroni međusobno signaliziraju. Kanonski način da neuron pošalje signal nizvodnom neuronu je generiranje akcijskog potencijala , „električnog impulsa” za koji ste čuli. Ovaj akcijski potencijal uzrokuje oslobađanje neurotransmitera u točki u kojoj su dvije stanice vrlo blizu jedna drugoj zvanoj sinapsa . Nizvodna postsinaptička stanica prima signal neurotransmitera i pretvara ga u mali električni signal. Ako se dovoljno kratkih električnih signala dogodi u kratkom vremenu, zbroje se i vjerojatno će pokrenuti akcijski potencijal u drugoj ćeliji, a ciklus se ponavlja cijelim krugom.

Kako se stvara električni signal ? Osnove kako ovo funkcioniraju, najslavnije su razvili Hodgkin i Huxley 1952. Kratka priča je da je plazma membrana selektivno propusna za ione . Izgradimo koncept od temelja.

Kutija alata

  1. Zamislimo kuglu plazmatske membrane koja predstavlja jednostavan neuron. Za početak pretpostavljamo da je ova membrana goli lipid bez proteina povezanih s membranom. Zbog hidrofobnosti dvosloja, nabijene čestice ne mogu difundirati kroz membranu.

  2. Stanica se kupa i iznutra i izvana otopinom koja sadrži mnogo iona (nabijenih atoma), uključujući natrij (Na +), kalij (K + ), klorid (Cl-) i kalcij (Ca2 +). Kao što smo gore napomenuli, ovi ioni ne mogu proći kroz membranu bez "pomoći".

  3. Sada u membranu dodajemo protein ionske pumpe koji će ispumpajte natrijeve ione i unesite kalijeve ione. Ova posebna pumpa, Na-K ATPaza , stvara višak natrijevih iona izvan stanice i višak kalijevih iona iznutra.

  4. Sad membrani dodajemo kalij ionski kanal . Ovaj protein stvara pore u membrani koji samo propušta ione kalija. Pora ovog određenog proteina uvijek je otvorena. Sad stvari počinju biti uzbudljive ...

  5. Što kalijevi ioni rade sada kad mogu proći kroz membranu? Joni će se kretati na temelju sila stvorenih njihovim elektrokemijskim gradijentima . Pumpa je stvorila kemijski gradijent stavljajući višak K + unutra, tako da ioni K + počinju istjecati kroz ionske kanale. Ali K + ioni su pozitivno nabijeni, pa kad istječu, pozitivni naboj počinje se nakupljati vani, a negativni naboj nakuplja se unutra. Ovaj se električni gradijent protivi kemijskom gradijentu, nastojeći povući K + ione u stanicu, dok kemijski gradijenti izvlače K + ione. Dotok i odljev postižu ravnotežu pri Nernstovom potencijalu, gdje se električne i kemijske sile izjednačavaju. Za fiziološke koncentracije K + iona, potencijal ravnoteže K + je oko -80mV ili -90mV. To znači da će K + ioni teći sve dok vanjska strana stanice ne postane pozitivnija za 80-90mV od unutarnje stanice. Počeli smo s 0mV, pa ioni K + uglavnom istječu.

  6. Sad imamo membranski potencijal , razliku u električnom potencijalu između unutrašnjosti i izvan stanice na oko -80mV (obično bliže -70mV ili -60mV u "stvarnom životu"). Konkretno, ovaj membranski potencijal je potencijal mirovanja koji postoji kad stanica nije aktivna. Za sada možemo pojednostaviti i potencijal odmora misliti kao da je postavljen odmorišnom propusnošću membrane za kalijeve ione, ali ne i za natrijeve ione. Ovu membranu nazivamo polariziranom, pa je depolarizacija kada membranski potencijal postaje pozitivniji, a hiperpolarizacija kada membranski potencijal postaje negativniji.

  7. Sad membrani dodamo natrijev kanal zasnovan na naponu , ionski kanal koji prolazi samo natrijeve ione, ali je obično zatvoren. Povezivanje napona znači da je ovaj ionski kanal osjetljiv na membranski potencijal. U potencijalu mirovanja, pora je zatvorena, a membrana je još uvijek nepropusna za natrijeve ione. Kada membranski potencijal postane malo pozitivniji, kanali se otvaraju i natrijevi ioni mogu teći. Ovaj je kanal također inaktivacija , tako da se, kada se otvori, otvara samo na kratko, propuštajući ograničenu količinu natrija.

  8. Na koji će način teći natrij kad otvorimo ovaj kanal? Zbog negativnog potencijala mirovanja (-70mV) i viška natrijevih iona vani zbog pumpe, i električni i kemijski gradijent tjerat će natrijeve ione u stanicu. Potencijal ravnoteže natrija obično je oko + 60mV.

  9. Da bismo dovršili strojeve za stvaranje akcijskog potencijala, dodajemo i kalijev kanal usmjeren na napon do opne. Djeluje baš kao naponski natrijev kanal koji je također zatvoren u mirovanju i otvara se kada membranski potencijal postane pozitivniji. Ovaj se kanal otvara nešto sporije nego natrijev kanal, ali se ne deaktivira.

Stvaranje akcijskog potencijala

Ok, pa kako ti se dijelovi spajaju kako bi stvorili električni impuls?

  1. Stanica sjedi na svom mirujućem membranskom potencijalu, sa zatvorenim svim svojim naponski usmjerenim kanalima. Prima signal od uzvodne stanice koji uzrokuje malu depolarizaciju. Akcijski potencijal započet će kada membranski potencijal dosegne prag potencijala .

  2. Pri pragu potencijala, naponski zatvoreni natrijevi kanali se otvaraju puštajući natrijeve ione u stanicu. Natrijev tok vuče membranu od potencijala mirovanja (-70mV) prema potencijalu ravnoteže natrija (+ 60mV). Te su vrijednosti međusobno daleko, pa je pogonska sila velika i membrana se brzo depolarizira. Ovo je akcijski potencijal naglog udara .

  3. Depolarizacija također aktivira (malo sporije) naponski kalijev kanal. Kalijevi ioni istječu i vode depolariziranu membranu (oko + 20mV na vrhuncu akcijskog potencijala) natrag prema potencijalu ravnoteže kalija (-80mV). Istodobno, natrijevi kanali se inaktiviraju tako da natrij više ne depolarizira membranu. Stopa repolarizacije obično je sporija od stope depolarizacije. Ovo je akcijski potencijal donjeg udarca .

  4. Cijeli postupak ciklusa depolarizacije / repolarizacije akcijskog potencijala traje oko 2-3 milisekunde u "prosjeku" neurona. Kad stanica ponovno dosegne potencijale za odmor, membrana se u osnovi resetira. Kanali s naponskim naponom su isključeni. Ionska pumpa pomiče kalijeve ione koji su istjecali i natrijeve ione koji su istjecali. Taj dio membrane je spreman za aktiviranje još jednog akcijskog potencijala!

Kao posljednju napomenu, Spomenut ću da naponski ograničeni natrijev kanal pruža mehanizam za akcijski potencijal za širenje niz akson. Akcijski potencijal pokreće se na jednom mjestu stanice i stvara depolarizaciju. Ova depolarizacija uzrokuje otvaranje naponski natrijevih kanala u susjednim regijama membrane i stvara vlastiti ciklus akcijskog potencijala. To je način na koji akcijski potencijal putuje niz aksone (a ponekad i dendrite).

Uredan sažetak na široko pitanje! Na koje razlike mislite kada je potencijal mirovanja "obično bliži -70mV ili -60mV u 'stvarnom životu'"? Također, ne razlikuje li se između stanica?
U gornjem odgovoru pojednostavljujem i kažem da je potencijal mirovanja membrane * potencijal * potencijala ravnoteže kalija. To obično nije slučaj, jer većina potencijala za odmor odmara nešto pozitivnije što ukazuje na sudjelovanje više iona / kanala nego samo kalija. Da, potencijali odmora razlikuju se između stanica. Uzimam -70mV ili -60mV kao svoje "pravilo" potencijala odmora, jer on općenito vrijedi za mnoge primarne pobudne neurone, poput hipokampalnog i kortikalnog piramidalnog neurona.
To je vrlo zanimljivo, ali stvarno me zanima kad napišete "dodajemo" što to znači? Postoje li neke pomoćne stanice koje daju potrebne ione neuronima? Prenosi li se nekako onako kako ide živčani signal (tijekom impulsa)? Ili se hranjive tvari samo ispuštaju u cerebrospinalnu tekućinu poput hormona?
@Probably U odgovoru gradim pojednostavljeni model neurona. Kad kažem "dodajemo", mislim "dodajte ovo svom mentalnom modelu dijelova sustava".
Da, razumijem, hvala, samo sam tražio više detalja. Srećom, već sam postavio ovo pitanje i ovdje sam dobio ovaj dobar odgovor: http://biology.stackexchange.com/questions/37317/how-do-neurons-receive-the-ions-needed-for-creating-electrical- mahunarke
#2
+18
Alexander Galkin
2011-12-15 21:55:44 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Dakle, predstavimo neke ključne riječi.

"Električni impuls" koji se "šalje između mozga i živaca" naziva se Akcijski potencijal (AP). Zatim se to razmnožava duž živčanog vlakna sve do ciljanog organa.

U osnovi, neuronska stanica ima tijelo i nekoliko dugih proširenih struktura koje "niču" iz tijela stanice. Dendriti primaju signale iz drugih stanica i prenose signale prema tijelu stanice stvaranjem malih električnih struja. Akson je jedan "izdanak" koji je obično puno tanji i duži od dendrita i prenosi potencijale djelovanja iz blizine staničnog tijela do ciljanih stanica i organa. Neki aksoni mogu biti dugački i 80-90 cm (zamislite!)! Na mjestu na kojem akson napušta tijelo živčane stanice postoji mala izbočina nazvana aksonski brežuljak .

AP potječe iz posebnog dijela aksona nazvanog akson početni segment (AIS) . Početni segment je prvi dio aksona jer napušta tijelo stanice i smješta se odmah nakon brežuljka aksona.

Električni impuls je kratko električno pražnjenje, što se može vidjeti kao naglo kretanje mnogih nabijene čestice s jednog mjesta na drugo. U našim stanicama imamo ione Na + (natrij), K + (kalij) i Cl - (klorid) (a u nekim slučajevima također Ca 2+ ) koji čine ove nabijene čestice.

Postoje dvije vrste pogonskih sila za ove čestice: uz gradijent potencijala , na pr. razlika u ukupnom naboju na dva različita mjesta postoji i druga sila koja se naziva gradijent koncentracije , na pr. razlika u koncentraciji na dva različita mjesta. Te sile mogu usmjeravati u suprotne smjerove, pa tako iskorištavanjem jedne sile (recimo gradijent koncentracije) možemo utjecati na drugu.

Ovdje nam je ponovno potrebna takozvana polupropusna membrana , ovo je samo prepreka za ione, ali samo za određene. To nam treba jer su naši glavni ioni - Na + i K + - pozitivno nabijeni. Stoga stanična membrana djeluje kao polupropusna membrana, propuštajući K + u stanice i Ca 2+ ione prema van, ali ne i suprotno. Stoga imamo dva gradijenta koncentracije : Na + (izvana je vrh) i K + (iznutra je vrh).

Da bismo pokrenuli puls, moramo pokrenuti masivni ionski zanos s jednog mjesta na drugo. To čini stanica, a prvi događaj ovdje je drastična promjena (povećanje) propusnosti za Na + ione. Na + ioni masovno ulaze u stanicu i njihovi naboji, premješteni u stanicu, tvore porast akcijskog potencijala .

Zaštitni mehanizam stanice odmah počinje raditi protiv invazije Na + i otvara rezervne šantove - K + kanale. K + napušta stanicu, uzimajući dio naboja i to se otkriva kao raspad akcijskog potencijala. Ali kalijevi su kanali općenito sporiji, zato je raspadanje pulsa stabilnije, a ne tako oštro kao uzlazni udar.

Sad se možda pitate: što tada pokreće brzu promjenu propusnosti membrane? Ovdje postoji nekoliko čimbenika koji mogu pridonijeti ovom procesu.

  1. Potencijalna promjena membrane. Natrijev i kalijev kanali su osjetljivi na napon , što znači da ako uspijete promijeniti potencijal mirovanja membrane, nastale uslijed gradijenata koncentracije i obično oko -90 ..- 80 mV (milivolti) do oko -40 mV pokrenut će natrijeve kanale. Tako se širi impuls - nastavši na jednom mjestu, samo smanjuje potencijal odmora susjednog područja membrane, natrij tamo ulazi u stanicu i AP putuje duž živca. AIS je mjesto inicijacije AP-a jer ovaj dio stanice ima vrlo visoku gustoću naponski usmjerenih natrijevih kanala.

  2. Kemijska sredstva, koja se nazivaju neurotransmiteri, mogu se otkriti pomoću receptore na staničnoj membrani. Neki od ovih receptora su sami po sebi ionski kanali i otvaraju se izravno kad je neurotransmiter vezan. Ostali receptori djeluju kroz unutarstanične signale da bi otvorili ionske kanale. Tako se signal pojavljuje na mjestima kontakata živčanih stanica - neurotransmiteri, poput acetilkolina ili adrenalina, ovdje djeluju kao okidači za propusnost membrane.

Lijep pregled, ali želio sam spomenuti nekoliko pojašnjenja. Mislite li na * aksonski brežuljak * umjesto na * aksonsko brdo *? Također, u početnom segmentu aksona (nešto dalje duž aksona od brežuljka) zapravo se događa inicijacija AP. Dendriti su kraći, ali promjera su obično većeg od aksona. Koristio bih riječ * neurotransmiteri * umjesto * posrednici *.
@yamad: Potpuno ste u pravu! Samo slobodno uredite moj post. Nisam izvorni govornik i već dugo nisam ništa napisao o biologiji, pa mi rječnik može biti hrđav i neprecizan. Zahvaljujemo na ispravkama!
Nema problema! Govorite / pišete engleski jezik bolje od većine izvornih govornika engleskog. Upravo sam napravio neke značajne izmjene kako bih pokušao stvari učiniti jasnijima. Nadam se da pomaže.
Hvala na toplim riječima! Obično sljedeći dan pregledam svoje postove kako bih ih ispolirao, uskoro ću integrirati vaše primjedbe.


Ova pitanja su automatski prevedena s engleskog jezika.Izvorni sadržaj dostupan je na stackexchange-u, što zahvaljujemo na cc by-sa 3.0 licenci pod kojom se distribuira.
Loading...