جهد العمل: رسالة الخلايا العصبية
إمكانية الفعل هي ظاهرة كهربائية أو كيميائية قصيرة المدى تحدث في الخلايا العصبية في الدماغ. يمكن القول أن هذه هي الرسالة التي سيتم نقلها إلى الخلايا العصبية الأخرى.
يتم إنتاجه في جسم الخلية (النواة) ، وتسمى أيضًا سوما. ينتقل عبر المحور العصبي بالكامل (امتداد للخلية العصبية ، على غرار الكابل) حتى يصل إلى نهايته ، ويسمى الزر الطرفي.
إمكانات العمل في محور عصبي معين لها دائمًا نفس المدة والشدة. إذا تفرع المحور العصبي إلى امتدادات أخرى ، يتم تقسيم احتمال الفعل ، ولكن لا يتم تقليل شدته.
عندما تصل إمكانات الحركة إلى الأزرار الطرفية للخلايا العصبية ، فإنها تفرز مواد كيميائية تسمى الناقلات العصبية. هذه المواد تثير أو تمنع الخلايا العصبية التي تستقبلها ، وتكون قادرة على توليد إمكانات الفعل في الخلايا العصبية المذكورة.
الكثير مما هو معروف عن إمكانات عمل الخلايا العصبية تأتي من التجارب التي أجريت مع محاور الحبار العملاقة. من السهل الدراسة بسبب حجمها ، لأنها تمتد من الرأس إلى الذيل. أنها تخدم بحيث الحيوان يمكن أن تتحرك.
إمكانات الغشاء العصبي
الخلايا العصبية لديها شحنة كهربائية مختلفة بداخلها من الخارج. ويسمى هذا الاختلاف غشاء المحتملة .
عندما تكون الخلايا العصبية في حالة استراحة ، فهذا يعني أن شحنتها الكهربائية لا تتغير بواسطة إمكانات متشابكة مثيرة أو مثبطة.
في المقابل ، عندما تؤثر إمكانات أخرى عليه ، يمكن تقليل إمكانات الغشاء. هذا هو المعروف باسم الاستقطاب .
أو على العكس من ذلك ، عندما تزداد إمكانات الغشاء فيما يتعلق بإمكانياته الطبيعية ، تحدث ظاهرة تسمى الاستقطاب المفرط .
عندما يحدث انقلاب سريع للغاية في إمكانات الغشاء فجأة ، يتم إعطاء إمكانية عمل . يتكون هذا من دفعة كهربائية موجزة ، والتي تُترجم إلى الرسالة التي تنتقل عبر محور عصبي. يبدأ في جسم الخلية ، ويصل إلى أزرار المحطة الطرفية.
من المهم أن نلاحظ أنه من أجل حدوث أي احتمال ، يجب أن تصل التغييرات الكهربائية إلى عتبة تسمى عتبة الإثارة . إنها قيمة الغشاء المحتمل الذي يجب الوصول إليه بالضرورة لحدوث احتمال حدوث الفعل.
إمكانات العمل والتغيرات في مستويات أيون
في ظل الظروف العادية ، تكون الخلية العصبية مستعدة لاستقبال الصوديوم (Na +) بداخلها. ومع ذلك ، فإن غشاءها لا ينفذ للغاية لهذا الأيون.
بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يحتوي على "ناقلات الصوديوم والبوتاسيوم" المعروفة ، وهي بروتين موجود في غشاء الخلايا المسؤولة عن إزالة أيونات الصوديوم منه وإدخال أيونات البوتاسيوم فيه. على وجه الخصوص ، أدخل كل بوتاسيوم لكل 3 أيونات من الصوديوم المستخرج.
هذه الناقلات الحفاظ على مستوى منخفض الصوديوم داخل الخلية. إذا زادت نفاذية الخلية ودخلت كمية أكبر من الصوديوم فجأة ، فإن احتمالية الغشاء ستتغير جذريًا. على ما يبدو ، هذا هو ما يثير احتمال العمل.
على وجه الخصوص ، سيتم زيادة نفاذية الغشاء للصوديوم ، ودخولهم داخل الخلايا العصبية. بينما ، في الوقت نفسه ، سيسمح ذلك لأيونات البوتاسيوم بمغادرة الخلية.
كيف تحدث هذه التغييرات في النفاذية؟
تندمج الخلايا في غشاءها بالعديد من البروتينات التي تسمى القنوات الأيونية . هذه لها فتحات يمكن من خلالها للأيونات الدخول أو الخروج من الخلايا ، رغم أنها ليست مفتوحة دائمًا. القنوات مغلقة أو مفتوحة وفقًا لأحداث معينة.
هناك أنواع متعددة من القنوات الأيونية ، وكل قناة متخصصة عادةً في قيادة أنواع معينة من الأيونات على وجه الحصر.
على سبيل المثال ، يمكن لقناة الصوديوم المفتوحة أن تتجاوز أكثر من 100 مليون أيون في الثانية.
كيف يتم إنتاج إمكانات العمل؟
الخلايا العصبية تنقل المعلومات الكهروكيميائية. وهذا يعني أن المواد الكيميائية تنتج إشارات كهربائية.
هذه المواد الكيميائية لها شحنة كهربائية ، وهذا ما يسمى الأيونات. الأكثر أهمية في الجهاز العصبي هي الصوديوم والبوتاسيوم ، والتي لها شحنة إيجابية. بالإضافة إلى الكالسيوم (شحنتين موجبتين) والكلور (شحنة سالبة).
التغييرات في الغشاء المحتملة
تتمثل الخطوة الأولى لاحتمال حدوث أي تغيير في غشاء الخلية المحتمل. يجب أن يتجاوز هذا التغيير حد الإثارة.
على وجه الخصوص ، هناك انخفاض في الغشاء المحتملة ، وهو ما يسمى الاستقطاب.
افتتاح قنوات الصوديوم
نتيجة لذلك ، تفتح قنوات الصوديوم الموجودة في الغشاء ، مما يسمح بدخول الصوديوم بشكل كبير داخل الخلايا العصبية. هذه هي التي تحركها قوات الضغط نشر والكهربائية.
نظرًا لأن أيونات الصوديوم مشحونة بشكل إيجابي ، فإنها تنتج تغيراً سريعًا في احتمال الغشاء.
افتتاح قنوات البوتاسيوم
غشاء محوار لديه كل من قنوات الصوديوم والبوتاسيوم. ومع ذلك ، فإن هذا الأخير يفتح في وقت لاحق ، لأنها أقل حساسية. أي أنهم يحتاجون إلى مستوى أعلى من إزالة الاستقطاب ، وهذا هو السبب وراء انفتاحهم لاحقًا.
إغلاق قنوات الصوديوم
ويأتي وقت تصل فيه إمكانات الإجراء إلى أقصى قيمة له. بعد هذه الفترة ، يتم إغلاق قنوات الصوديوم وإغلاقها.
لم يعد من الممكن فتحها مرة أخرى حتى يصل الغشاء إلى إمكانات الراحة مرة أخرى. ونتيجة لذلك ، لم يعد بإمكان الصوديوم الدخول إلى العصبونات.
إغلاق قنوات البوتاسيوم
ومع ذلك ، تظل قنوات البوتاسيوم مفتوحة. هذا يسمح لأيونات البوتاسيوم بالتدفق عبر الخلية.
بسبب الانتشار والضغط الإلكتروستاتيكي ، نظرًا لأن الشحنة الداخلية للمحاور مشحونة بشكل إيجابي ، يتم إخراج أيونات البوتاسيوم من الخلية.
وبالتالي ، فإن غشاء المحتملة يسترد قيمتها المعتادة. شيئا فشيئا ، تغلق قنوات البوتاسيوم.
يؤدي إخراج الكاتيون هذا إلى غشاء محتمل لاستعادة قيمته الطبيعية. عندما يحدث هذا ، تبدأ قنوات البوتاسيوم في الإغلاق مرة أخرى.
في اللحظة التي تصل فيها إمكانات الغشاء إلى قيمتها العادية ، تغلق قنوات البوتاسيوم تمامًا. في وقت لاحق إلى حد ما ، يتم إعادة تنشيط قنوات الصوديوم ، والاستعداد لإزالة الاستقطاب أخرى لفتحها.
وأخيراً ، تفرز ناقلات الصوديوم والبوتاسيوم الصوديوم الذي دخل واسترد البوتاسيوم الذي ترك في وقت سابق.
كيف يتم نشر المعلومات بواسطة محور عصبي؟
يتكون المحور العصبي من جزء من العصبون ، وهو امتداد للأخر يشبه الكبل. يمكن أن تكون طويلة جدًا للسماح للخلايا العصبية البعيدة جسديًا بالاتصال وإرسال المعلومات.
تنتشر إمكانية الفعل على طول المحور وتصل إلى أزرار المحطة الطرفية لإرسال رسائل إلى الخلية التالية.
إذا قمنا بقياس شدة الحركة المحتملة من مناطق مختلفة من المحور ، فسنجد أن شدتها تظل كما هي في جميع المناطق.
قانون الكل أو لا شيء
يحدث هذا لأن التوصيل المحوري يتبع قانونًا أساسيًا: قانون الكل أو لا شيء. وهذا هو ، يتم إعطاء إمكانات العمل أو لا تعطى. بمجرد أن يبدأ ، ينتقل في جميع أنحاء محور عصبي إلى أقصى الحدود ، والحفاظ دائمًا على نفس الحجم ، لا يزيد أو ينقص. علاوة على ذلك ، إذا تم تقسيم محور عصبي للخارج ، فإن احتمال الفعل مقسم ، لكنه يحافظ على حجمه.
تبدأ إمكانات العمل في نهاية المحور العصبي المتصل بسوما الخلايا العصبية. عادة ، يسافرون عادة في اتجاه واحد فقط.
إمكانات العمل والسلوك
من الممكن ، في هذه المرحلة ، أن تسأل نفسك: إذا كانت إمكانات الإجراء هي عملية كاملة أو لا شيء ، فكيف يمكن أن تحدث سلوكيات معينة مثل تقلص العضلات يمكن أن تختلف بين مستويات مختلفة من الشدة؟ يحدث هذا بسبب قانون التردد.
قانون التردد
ما يحدث هو أن احتمال إجراء واحد لا يوفر معلومات مباشرة. بدلاً من ذلك ، يتم تحديد المعلومات حسب معدل التفريغ أو إطلاق النار من محور عصبي. وهذا هو ، وتيرة حدوث إمكانات العمل. هذا هو المعروف باسم "قانون التردد".
وبالتالي ، فإن ارتفاع وتيرة إمكانات العمل من شأنه أن يؤدي إلى تقلص العضلات الشديد.
يحدث الشيء نفسه مع الإدراك. على سبيل المثال ، يجب أن ينتج عن الحافز البصري اللامع للغاية ، الذي يتم التقاطه ، "معدل إطلاق عالي" في المحاور الملحقة بالعيون. بهذه الطريقة ، يعكس تواتر إمكانات العمل شدة الحافز البدني.
لذلك ، فإن قانون الكل أو لا شيء يكمله قانون التردد.
أشكال أخرى لتبادل المعلومات
إمكانات العمل ليست هي الأنواع الوحيدة من الإشارات الكهربائية التي تحدث في الخلايا العصبية. على سبيل المثال ، يعطي إرسال المعلومات عبر المشابك دفعة كهربائية صغيرة إلى غشاء العصبون الذي يستقبل البيانات.
في حالات معينة ، يمكن أن يؤدي تغيير الاستقطاب البسيط الذي يكون ضعيفًا جدًا إلى عدم وجود إمكانية فعلية إلى تغيير بسيط في إمكانات الغشاء.
ومع ذلك ، يتم تقليل هذا التغيير شيئًا فشيئًا أثناء انتقاله عبر المحور. في هذا النوع من نقل المعلومات ، لا يتم فتح أو إغلاق قنوات الصوديوم ولا البوتاسيوم.
وبالتالي ، فإن محور عصبي بمثابة كابل تحت الماء. عندما تنتقل الإشارة بواسطتها ، تقل السعة. هذا هو المعروف باسم انخفاض التوصيل ، ويحدث ذلك بسبب خصائص محور عصبي.
إمكانات العمل والميلين
وتغطي محاور جميع الثدييات تقريبا مع المايلين. أي أن لديهم شرائح محاطة بمادة تسمح بالتوصيل العصبي ، مما يجعله أسرع. يلتف المايلين حول المحور دون السماح للسائل خارج الخلية بالوصول إليه.
يتم إنتاج المايلين في الجهاز العصبي المركزي بواسطة خلايا تسمى oligodendrocytes. بينما ، في الجهاز العصبي المحيطي ، يتم إنتاجه بواسطة خلايا شوان.
يتم تقسيم قطاعات المايلين ، والمعروفة باسم أغماء المايلين ، بمساحات غير مكتشفة من المحور العصبي. وتسمى هذه المناطق العقيدات Ranvier وأنها على اتصال مع السائل خارج الخلية.
ينتقل احتمال العمل بشكل مختلف في محور عصبي غير مملح (لا يغطيه المايلين) عنه في المايلين.
يمكن أن تنتقل إمكانية التحرك عبر الغشاء المحوري المغطى بالميلين بواسطة خصائص الكابل. يقوم المحور العصبي بهذه الطريقة بإجراء التغيير الكهربائي من المكان الذي تحدث فيه إمكانية الفعل إلى العقدة التالية من Ranvier.
يتم تقليل هذا التغيير قليلاً ، ولكنه مكثف بدرجة كافية لإثارة احتمال إجراء في العقدة التالية. ثم ، يتم تشغيل هذه الإمكانات مرة أخرى أو تكرارها في كل عقيدات من Ranvier ، ويتم نقلها في جميع أنحاء منطقة المايلين إلى العقيدات التالية.
هذا النوع من توصيل إمكانات العمل يسمى توصيل الملح. اسمها يأتي من اللاتينية "الملح" ، وهو ما يعني "الرقص". المفهوم هو أن الدافع يبدو أنه يقفز من العقيدات إلى العقيدات.
مزايا التوصيل المملح لنقل إمكانات العمل
هذا النوع من القيادة له مزاياه. أولا ، لتوفير الطاقة. تنفق ناقلات الصوديوم والبوتاسيوم الكثير من الطاقة في استخراج الصوديوم الزائد من داخل محور عصبي أثناء إمكانات الحركة.
توجد ناقلات الصوديوم والبوتاسيوم في مناطق من محور عصبي غير مغطاة بالميلين. ومع ذلك ، في محور عصبي نقي ، لا يمكن للصوديوم أن يدخل إلا عقيدات رانفير. لذلك ، يدخل الكثير من الصوديوم ، وبسبب هذا ، يجب ضخ كمية أقل من الصوديوم في الخارج. لذلك يتعين على ناقلي البوتاسيوم الصوديوم العمل بشكل أقل.
فائدة أخرى من المايلين هي مدى السرعة. يتم تحريك إمكانات الفعل بسرعة أكبر في محور عصبي النخاع ، حيث أن الدافع "يقفز" من عقيد إلى آخر ، دون الحاجة إلى المرور عبر المحور بالكامل.
هذه الزيادة في السرعة تجعل الحيوانات تفكر وتتفاعل بسرعة أكبر. للكائنات الحية الأخرى ، مثل الحبار ، محاور عصبية بدون المايلين تحصل على سرعة بسبب زيادة حجمها. محاور الحبار لها قطر كبير (حوالي 500 ميكرون) ، مما يسمح لهم بالسفر بشكل أسرع (حوالي 35 متر في الثانية الواحدة).
ومع ذلك ، في نفس السرعة ، تتحرك إمكانات الحركة في محاور القطط ، على الرغم من أن قطرها 6 ميكرون فقط. ما يحدث هو أن هذه المحاور لا تحتوي على المايلين.
يمكن أن يؤدي المحور العصبي النخاعي إلى إمكانات الحركة بسرعة تبلغ حوالي 432 كيلومترًا في الساعة ، ويبلغ قطرها 20 ميكرون.
