Przewodzenie impulsów nerwowych na poziomie komórki

Podstawową jednostką strukturalną i funkcjonalną układu nerwowego jest komórka nerwowa nazywana neuronem.

Budowa neuronu

Komórka nerwowa składa się z ciała komórki, w którym znajduje się jądro i większość organelli komórkowych, oraz z wypustek. Wypustki to:

- dendryty, których przeważnie jest dużo i są krótkie; ich rola polega na odbieraniu impulsów i przekazywaniu ich do ciała komórki.

- akson (inaczej nazywany neurytem) występuje najczęściej pojedynczo. Przewodzi impuls od ciała komórki w kierunku następnego neuronu lub komórki mającej ulec pobudzeniu.

Akson osiągający odpowiednią długość nazywany jest włóknem nerwowym. Akson może być niczym nieosłonięty - nazywany jest wtedy włóknem nagim, ale przeważnie otoczony jest jedną lub dwiema osłonkami. Są to:

- osłonka mielinowa leżąca bezpośrednio na aksonie, obecna we wszystkich włóknach osłonkowych

- osłonka komórkowa utworzona z komórki nazywanej lemocytem, występuje w włóknach obwodowego układu nerwowego.

Osłonki pełnią rolę izolacyjną, a także przyspieszają przekazywanie impulsów.

Przepływ impulsu wzdłuż neuronu odbywa się jednokierunkowo: sygnał odbierany jest przez dendryty, przekazywany do ciała komórki, a następnie biegnie wzdłuż aksonu i przekazywany jest kolejnej komórce.

Pod względem czynnościowym neurony dzielimy na:

- czuciowe - odbierają bodziec od receptora i przekazują go do ośrodkowego układu nerwowego

- ruchowe - przewodzą impuls od ośrodkowego układu nerwowego do efektora

- pośredniczące (kojarzeniowe) - pośredniczą pomiędzy neuronami czuciowymi i ruchowymi.

Zasady przewodzenia impulsu przez neuron

Zjawiska związane z przesyłaniem impulsów przez neurony mają charakter elektryczny.

Potencjał spoczynkowy

Błona neuronu w stanie spoczynku jest spolaryzowana. Oznacza to, że pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnią błony istnieje różnica potencjałów. Wynika ona z nierównomiernego rozmieszczenia ładunków (jonów). Na zewnętrznej powierzchni błony gromadzą się kationy Na⁺, czyli ma ona ładunek dodatni. Na wewnętrznej powierzchni błony gromadzą się aniony, a więc ma ona ładunek ujemny. Są to aniony organiczne, chlorkowe (Cl^-), a także pewna ilość kationów K⁺, mniejsza niż ilość jonów Na⁺ na zewnętrznej powierzchni błony.

Nierównomierne rozmieszczenie ładunków jest możliwe dzięki pracy białka transportowego znajdującego się w błonie neuronu i nazywanego pompą sodowo-potasową. Jego rola polega na transporcie jonów Na⁺ na zewnątrz komórki i jonów K⁺ do wnętrza. Transport ten wymaga nakładu energii, której źródłem jest ATP.

Różnica pomiędzy ładunkami na zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni błony neuronu w czasie, gdy jest on niepobudzony, nazywana jest potencjałem spoczynkowym.

Pobudzenie neuronu

W momencie, gdy na neuron zadziała odpowiedni bodziec, dochodzi do zamiany potencjału spoczynkowego na potencjał czynnościowy. Dzieje się to pod wpływem innych białek błonowych nazywanych kanałami jonowymi. W czasie spoczynku są one zamknięte, natomiast pod wpływem działania bodźca otwierają się i umożliwiają swobodny przepływ jonów. Prowadzi to do wyrównania ilości ładunków po obydwu stronach błony.

Pod wpływem bodźca następuje depolaryzacja błony komórkowej. Pobudzony neuron wykazuje potencjał czynnościowy.

Otwarcie jednego kanału powoduje otwarcie następnego i dalej następnego, itd. (efekt domina). Skutek jest taki, że wzdłuż neuronu biegnie fala depolaryzacyjna.

Impuls nerwowy to biegnąca wzdłuż neuronu fala depolaryzacyjna.

Po krótkiej chwili depolaryzacji kanały jonowe zamykają się, pompa Na/K podejmuje swą działalność i następuje repolaryzacja błony, czyli zostaje odtworzony potencjał spoczynkowy. Nie każdy bodziec jest w stanie wywołać depolaryzację. Bodziec o minimalnej sile niezbędnej do pobudzenia neuronu nazywany jest bodźcem progowym. Bodźce podprogowe to takie, których siła jest zbyt słaba by wywołać depolaryzację. Neurony działają według zasady „wszystko albo nic” (albo jest depolaryzacja, albo jej nie ma). Zwiększanie siły bodźca nie zwiększa więc wartości impulsu. Fakt, że rozróżniamy bodźce o różnej sile, spowodowany jest przez różną częstotliwość przesyłania impulsów.

Przekazywanie sygnałów przez synapsę

Synapsa to połączenie między dwoma kolejnymi neuronami lub neuronem i komórką przez niego pobudzaną.

Ze względu na rodzaj komórek tworzących połączenie rozróżniamy synapsy:

- nerwowo-nerwowe będące połączeniem dwóch neuronów

- nerwowo-mięśniowe będące połączeniem neuronu i komórki mięśniowej

- nerwowo-gruczołowe będące połączeniem neuronu z komórką gruczołową.

Ze względu na sposób przekazywania sygnału wyróżnia się dwa rodzaje synaps:

- elektryczne, w których wypustki dwóch kolejnych komórek są tak blisko siebie, że impuls elektryczny może „przeskoczyć” z jednej komórki na drugą - są rzadko spotykane

- chemiczne, w których wypustki są na tyle oddalone, że impuls nie może przeskoczyć, a przekazywanie sygnału odbywa się za pośrednictwem substancji chemicznej - ten typ synaps powszechnie występuje w układzie nerwowym.

Substancję chemiczną pełniącą rolę przekaźnika w synapsie nazywa się neuroprzekaźnikiem albo mediatorem.

W obrębie synapsy rozróżniamy:

- błonę presynaptyczną znajdującą się na zakończeniu aksonu komórki przekazującej bodziec. Tuż pod nią, na terenie cytoplazmy znajdują się liczne pęcherzyki z neuroprzekaźnikiem.

- błonę postsynaptyczną należącą do dendrytu komórki odbierającej bodziec. Na jej powierzchni znajdują się liczne białka - receptory, wrażliwe na działanie neuroprzekaźnika

- szczelinę synaptyczną, czyli przestrzeń między błonami.

Przekazywanie sygnału w synapsie chemicznej:

- fala depolaryzacji dociera do zakończenia aksonu

- pobudzenie tej części neuronu powoduje uwolnienie zawartości pęcherzyków do szczeliny synaptycznej

- uwolniony neuroprzekaźnik rozprzestrzenia się w szczelinie na zasadzie dyfuzji, aż dociera do błony postsynaptycznej

- w błonie postsynaptycznej neuroprzekaźnik wiąże się z odpowiednim receptorem, co powoduje otwarcie kanału jonowego, depolaryzację błony i przekazywanie impulsu przez kolejny neuron.

W synapsie chemicznej zachodzi zamiana impulsu elektrycznego na sygnał chemiczny.

Wadą synapsy chemicznej jest spowolnienie w przekazywaniu sygnału. Nazywane jest to opóźnieniem synaptycznym. Organizm zmniejsza te opóźnienia do niezbędnego minimum poprzez maksymalne wydłużanie aksonów i ograniczanie tym samym ilości połączeń.

Zalety synapsy chemicznej:

- nie ma możliwości powrotu sygnału, czyli zapewnia jednokierunkowość i bezkolizyjność przesyłania impulsów

- stosując różne mediatory można niektóre sygnały wzmacniać a inne wyciszać, czyli istnieje możliwość kontroli sygnałów docierających do ośrodkowego układu nerwowego.

Do najważniejszych neuroprzekaźników należą:

Acetylocholina - powszechna w całym układzie nerwowym, typowa dla układu autonomicznego, dla synaps nerwowo-mięśniowych, a w mózgu biorąca udział w procesach pamięciowych.

Noradrenalina - podstawowy neuroprzekaźnik autonomicznego układu nerwowego, przeważnie wydzielana wraz z adrenaliną.

Z medycznego punktu widzenia ciekawe są substancje będące mediatorami synaps w mózgu np. serotonina, dopamina, glutaminian. Zaburzenia ich wydzielania często wiążą się z różnymi dysfunkcjami ze strony układu nerwowego jak choroba Parkinsona czy depresja.