ระบบประสาทของมนุษย์ทำหน้าที่เป็นตัวประสานในร่างกายของเรา มันส่งคำสั่งจากสมองไปยังกล้ามเนื้อ อวัยวะ เนื้อเยื่อ และประมวลผลสัญญาณที่มาจากพวกมัน แรงกระตุ้นเส้นประสาทถูกใช้เป็นผู้ให้บริการข้อมูล เขาเป็นตัวแทนของอะไร? มันทำงานด้วยความเร็วเท่าไหร่? สามารถตอบคำถามเหล่านี้และคำถามอื่นๆ ได้ในบทความนี้
แรงกระตุ้นเส้นประสาทคืออะไร
นี่คือชื่อของคลื่นแห่งการกระตุ้นที่แผ่ซ่านไปทั่วเส้นใยเพื่อตอบสนองต่อการกระตุ้นของเซลล์ประสาท ด้วยกลไกนี้ ข้อมูลจะถูกส่งผ่านจากตัวรับต่างๆ ไปยังระบบประสาทส่วนกลาง และจากนั้นก็ไปสู่อวัยวะต่างๆ (กล้ามเนื้อและต่อม) แต่กระบวนการนี้ในระดับสรีรวิทยาคืออะไร? กลไกการส่งกระแสประสาทคือเยื่อหุ้มเซลล์ประสาทสามารถเปลี่ยนศักย์ไฟฟ้าเคมีได้ และกระบวนการที่น่าสนใจสำหรับเรานั้นเกิดขึ้นในพื้นที่ของไซแนปส์ ความเร็วของแรงกระตุ้นเส้นประสาทอาจแตกต่างกันตั้งแต่ 3 ถึง 12 เมตรต่อวินาที เราจะพูดถึงเรื่องนี้มากขึ้น รวมถึงปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อมัน
วิจัยโครงสร้างและงาน
เยอรมันแสดงการเคลื่อนตัวของเส้นประสาทเป็นครั้งแรกนักวิทยาศาสตร์ E. Goering และ G. Helmholtz เกี่ยวกับตัวอย่างของกบ ในขณะเดียวกัน ก็พบว่าสัญญาณไฟฟ้าชีวภาพแพร่กระจายด้วยความเร็วที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ โดยทั่วไป เป็นไปได้เนื่องจากการสร้างเส้นใยประสาทแบบพิเศษ ในลักษณะบางอย่าง พวกมันดูเหมือนสายไฟฟ้า ดังนั้น หากเราวาดแนวขนานกับมัน ตัวนำก็คือแอกซอน และฉนวนก็คือปลอกไมอีลิน (เป็นเยื่อหุ้มเซลล์ชวานซึ่งมีบาดแผลหลายชั้น) นอกจากนี้ความเร็วของแรงกระตุ้นเส้นประสาทขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยเป็นหลัก สิ่งสำคัญอันดับสองคือคุณภาพของฉนวนไฟฟ้า โดยวิธีการที่ร่างกายใช้ไมอีลินไลโปโปรตีนซึ่งมีคุณสมบัติของไดอิเล็กทริกเป็นวัสดุ Ceteris paribus ยิ่งชั้นมีขนาดใหญ่เท่าใดแรงกระตุ้นของเส้นประสาทก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้น แม้แต่ในขณะนี้ยังบอกไม่ได้ว่าระบบนี้ได้รับการตรวจสอบอย่างครบถ้วนแล้ว หลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับเส้นประสาทและแรงกระตุ้นยังคงเป็นเรื่องลึกลับและเป็นหัวข้อวิจัย
คุณลักษณะของโครงสร้างและการทำงาน
ถ้าเราพูดถึงเส้นทางของแรงกระตุ้นเส้นประสาท ควรสังเกตว่าปลอกไมอีลินไม่ครอบคลุมเส้นใยตลอดความยาวทั้งหมด คุณลักษณะการออกแบบนั้นสามารถเปรียบเทียบได้ดีที่สุดกับสถานการณ์ปัจจุบันกับการสร้างปลอกฉนวนเซรามิกที่พันอยู่บนแกนของสายไฟอย่างแน่นหนา (แม้ว่าในกรณีนี้บนซอน) เป็นผลให้มีพื้นที่ไฟฟ้าขนาดเล็กที่ไม่มีฉนวนซึ่งกระแสไอออนสามารถไหลออกได้อย่างง่ายดายซอนกับสิ่งแวดล้อม (หรือกลับกัน) สิ่งนี้จะทำให้เมมเบรนระคายเคือง เป็นผลให้เกิดการสร้างศักยภาพในการดำเนินการในพื้นที่ที่ไม่โดดเดี่ยว กระบวนการนี้เรียกว่าการสกัดกั้น Ranvier การปรากฏตัวของกลไกดังกล่าวทำให้สามารถกระตุ้นการกระตุ้นเส้นประสาทได้เร็วขึ้นมาก มาพูดถึงเรื่องนี้ด้วยตัวอย่างกัน ดังนั้นความเร็วของการนำกระแสประสาทในเส้นใยไมอีลิเนตหนาซึ่งมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางผันผวนภายใน 10-20 ไมครอนคือ 70-120 เมตรต่อวินาที ส่วนผู้ที่มีโครงสร้างไม่ลงตัว ตัวเลขนี้น้อยกว่า 60 เท่า!
ผลิตที่ไหน
แรงกระตุ้นของเส้นประสาทมีต้นกำเนิดมาจากเซลล์ประสาท ความสามารถในการสร้าง "ข้อความ" ดังกล่าวเป็นหนึ่งในคุณสมบัติหลัก แรงกระตุ้นของเส้นประสาทช่วยให้แน่ใจว่ามีการแพร่กระจายอย่างรวดเร็วของสัญญาณประเภทเดียวกันไปตามซอนในระยะไกล ดังนั้นจึงเป็นวิธีที่สำคัญที่สุดของร่างกายในการแลกเปลี่ยนข้อมูล ข้อมูลเกี่ยวกับการระคายเคืองจะถูกส่งโดยการเปลี่ยนความถี่ของการทำซ้ำ ระบบวารสารที่ซับซ้อนทำงานที่นี่ ซึ่งสามารถนับแรงกระตุ้นเส้นประสาทได้หลายร้อยครั้งในหนึ่งวินาที ตามหลักการที่ค่อนข้างคล้ายคลึงกันแม้ว่าจะซับซ้อนกว่ามาก แต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของคอมพิวเตอร์ก็ทำงาน ดังนั้น เมื่อแรงกระตุ้นของเส้นประสาทเกิดขึ้นในเซลล์ประสาท พวกมันจะถูกเข้ารหัสด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง จากนั้นพวกมันจะถูกส่งต่อเท่านั้น ในกรณีนี้ ข้อมูลจะถูกจัดกลุ่มเป็น "แพ็ก" พิเศษ ซึ่งมีหมายเลขและลักษณะของลำดับต่างกัน ทั้งหมดนี้รวมกันเป็นพื้นฐานสำหรับกิจกรรมทางไฟฟ้าที่เป็นจังหวะของสมองของเราซึ่งสามารถลงทะเบียนได้ด้วยคลื่นไฟฟ้าสมอง
ประเภทเซลล์
เมื่อพูดถึงลำดับการเคลื่อนตัวของแรงกระตุ้นเส้นประสาท เราไม่สามารถเพิกเฉยต่อเซลล์ประสาท (เซลล์ประสาท) ที่ส่งสัญญาณไฟฟ้าได้ ต้องขอบคุณพวกมัน ทำให้ส่วนต่างๆ ของร่างกายเราแลกเปลี่ยนข้อมูลกัน ขึ้นอยู่กับโครงสร้างและการทำงาน สามประเภทมีความโดดเด่น:
- ตัวรับ (ละเอียดอ่อน). พวกมันเข้ารหัสและเปลี่ยนเป็นแรงกระตุ้นของเส้นประสาท ทุกอุณหภูมิ เคมี เสียง สิ่งกระตุ้นทางกลและแสง
- การแทรก (เรียกอีกอย่างว่าตัวนำหรือการปิด) ทำหน้าที่ในการประมวลผลและเปลี่ยนแรงกระตุ้น จำนวนมากที่สุดอยู่ในสมองมนุษย์และไขสันหลัง
- มีประสิทธิภาพ (มอเตอร์). พวกเขาได้รับคำสั่งจากระบบประสาทส่วนกลางให้ดำเนินการบางอย่าง (ภายใต้แสงแดดจ้า ให้หลับตาด้วยมือ และอื่นๆ)
เซลล์ประสาทแต่ละเซลล์มีร่างกายและกระบวนการ เส้นทางของแรงกระตุ้นเส้นประสาทผ่านร่างกายเริ่มต้นอย่างแม่นยำด้วยหลัง กระบวนการมีสองประเภท:
- เดนไดรต์. พวกเขาได้รับมอบหมายให้ทำหน้าที่รับรู้การระคายเคืองของตัวรับที่อยู่บนตัวพวกมัน
- ซอน. ต้องขอบคุณพวกมัน แรงกระตุ้นของเส้นประสาทจะถูกส่งผ่านจากเซลล์ไปยังอวัยวะที่ทำงาน
กิจกรรมที่น่าสนใจ
การพูดเกี่ยวกับการนำกระแสประสาทโดยเซลล์ เป็นเรื่องยากที่จะไม่พูดถึงช่วงเวลาที่น่าสนใจในช่วงเวลาหนึ่ง ดังนั้นเมื่อได้พักผ่อนแล้ว สมมุติว่าดังนั้นปั๊มโซเดียมโพแทสเซียมจึงมีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่ของไอออนในลักษณะที่จะทำให้เกิดน้ำจืดภายในและภายนอกที่มีรสเค็ม เนื่องจากความไม่สมดุลที่เกิดขึ้นของความต่างศักย์ระหว่างเมมเบรน สามารถสังเกตได้ถึง 70 มิลลิโวลต์ สำหรับการเปรียบเทียบ นี่คือ 5% ของแบตเตอรี่ AA ทั่วไป แต่ทันทีที่สถานะของเซลล์เปลี่ยนแปลง ความสมดุลที่เกิดขึ้นจะถูกรบกวน และไอออนจะเริ่มเปลี่ยนตำแหน่ง สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อเส้นทางของแรงกระตุ้นเส้นประสาทไหลผ่าน เนื่องจากการกระทำที่แอคทีฟของไอออน การกระทำนี้จึงเรียกว่าศักยภาพในการดำเนินการ เมื่อถึงค่าหนึ่ง กระบวนการย้อนกลับจะเริ่มขึ้น และเซลล์ถึงสถานะพัก
เกี่ยวกับศักยภาพในการดำเนินการ
เมื่อพูดถึงการเปลี่ยนแปลงและการขยายพันธุ์ของแรงกระตุ้น ควรสังเกตว่าอาจเป็นมิลลิเมตรที่น่าสังเวชต่อวินาที จากนั้นสัญญาณจากมือไปยังสมองจะไปถึงในไม่กี่นาที ซึ่งไม่ดีอย่างชัดเจน นี่คือจุดที่ปลอกไมอีลินที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้มีบทบาทในการเสริมสร้างศักยภาพการดำเนินการ และ "ผ่าน" ทั้งหมดนั้นถูกวางไว้ในลักษณะที่มีผลดีต่อความเร็วในการส่งสัญญาณเท่านั้น ดังนั้น เมื่อแรงกระตุ้นไปถึงจุดสิ้นสุดของส่วนหลักของร่างกายของซอนหนึ่ง มันจะถูกส่งต่อไปยังเซลล์ถัดไป หรือ (ถ้าเราพูดถึงสมอง) ไปยังกิ่งก้านของเซลล์ประสาทจำนวนมาก ในกรณีหลัง หลักการที่แตกต่างกันเล็กน้อยก็ใช้ได้
ทุกอย่างทำงานอย่างไรในสมอง
มาคุยกันว่าลำดับการส่งสัญญาณแรงกระตุ้นของเส้นประสาททำงานอย่างไรในส่วนที่สำคัญที่สุดของระบบประสาทส่วนกลางของเราที่นี่เซลล์ประสาทถูกแยกออกจากเพื่อนบ้านด้วยช่องว่างเล็ก ๆ ซึ่งเรียกว่าไซแนปส์ ศักยภาพในการดำเนินการไม่สามารถข้ามได้ ดังนั้นจึงมองหาวิธีอื่นในการไปยังเซลล์ประสาทถัดไป ในตอนท้ายของแต่ละกระบวนการจะมีถุงเล็ก ๆ ที่เรียกว่าถุง Presynaptic แต่ละคนมีสารประกอบพิเศษ - สารสื่อประสาท เมื่อศักย์ออกฤทธิ์มาถึงพวกมัน โมเลกุลจะถูกปลดปล่อยออกจากถุง พวกเขาข้ามไซแนปส์และยึดติดกับตัวรับโมเลกุลพิเศษที่อยู่บนเมมเบรน ในกรณีนี้ ความสมดุลถูกรบกวนและอาจเป็นไปได้ว่าการกระทำใหม่อาจเกิดขึ้น เรื่องนี้ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด นักประสาทวิทยากำลังศึกษาปัญหานี้มาจนถึงทุกวันนี้
การทำงานของสารสื่อประสาท
เมื่อมันส่งกระแสประสาท มีหลายทางเลือกสำหรับสิ่งที่จะเกิดขึ้นกับพวกเขา:
- มันจะกระจาย
- จะโดนสารเคมีสลาย
- กลับเข้าไปในฟองสบู่ของพวกมัน (สิ่งนี้เรียกว่าการเอาคืน)
การค้นพบที่น่าตกใจเกิดขึ้นเมื่อปลายศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้ว่ายาที่ส่งผลต่อสารสื่อประสาท (รวมถึงการปลดปล่อยและการดูดซึมซ้ำ) สามารถเปลี่ยนสภาพจิตใจของบุคคลได้ในลักษณะพื้นฐาน ตัวอย่างเช่น ยากล่อมประสาทหลายชนิดเช่น Prozac ขัดขวางการดูดซึม serotonin ซ้ำ มีเหตุผลบางประการที่เชื่อได้ว่าการขาดสารสื่อประสาทโดปามีนในสมองคือการตำหนิสำหรับโรคพาร์กินสัน
ตอนนี้นักวิจัยที่ศึกษาสภาวะแนวเขตของจิตใจมนุษย์กำลังพยายามหาวิธีอยู่ทุกอย่างส่งผลต่อจิตใจของบุคคล ในระหว่างนี้ เราไม่มีคำตอบสำหรับคำถามพื้นฐานดังกล่าว: อะไรเป็นสาเหตุให้เซลล์ประสาทสร้างศักยภาพในการดำเนินการ จนถึงตอนนี้ กลไกของ "การเปิดตัว" เซลล์นี้เป็นความลับสำหรับเรา สิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษจากมุมมองของปริศนานี้คือการทำงานของเซลล์ประสาทในสมองหลัก
โดยย่อ พวกเขาสามารถทำงานกับสารสื่อประสาทหลายพันชนิดที่เพื่อนบ้านส่งมา เราแทบไม่ทราบรายละเอียดเกี่ยวกับการประมวลผลและการผสานรวมของแรงกระตุ้นประเภทนี้ แม้ว่ากลุ่มวิจัยหลายกลุ่มกำลังทำงานเกี่ยวกับเรื่องนี้ ในขณะนี้ มันกลับกลายเป็นว่าพบว่าแรงกระตุ้นที่ได้รับทั้งหมดถูกรวมเข้าด้วยกัน และเซลล์ประสาทก็ตัดสินใจ - ว่าจำเป็นต้องรักษาศักยภาพการดำเนินการและส่งต่อไปหรือไม่ การทำงานของสมองมนุษย์ขึ้นอยู่กับกระบวนการพื้นฐานนี้ ก็ไม่แปลกที่เราไม่รู้คำตอบของปริศนานี้
คุณสมบัติทางทฤษฎีบางอย่าง
ในบทความ มีการใช้ "แรงกระตุ้นเส้นประสาท" และ "ศักยภาพในการดำเนินการ" เป็นคำพ้องความหมาย ในทางทฤษฎี สิ่งนี้เป็นความจริง แม้ว่าในบางกรณีจำเป็นต้องคำนึงถึงคุณลักษณะบางอย่างด้วย ดังนั้น หากคุณลงรายละเอียด ศักยภาพในการดำเนินการเป็นเพียงส่วนหนึ่งของแรงกระตุ้นของเส้นประสาท ด้วยการตรวจสอบหนังสือทางวิทยาศาสตร์อย่างละเอียด คุณจะพบว่านี่เป็นเพียงการเปลี่ยนแปลงในประจุของเมมเบรนจากบวกเป็นลบ และในทางกลับกัน ในขณะที่แรงกระตุ้นของเส้นประสาทเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นกระบวนการโครงสร้างและไฟฟ้าเคมีที่ซับซ้อน มันแพร่กระจายไปทั่วเยื่อหุ้มเซลล์ประสาทเหมือนคลื่นเดินทางของการเปลี่ยนแปลง ศักยภาพการกระทำเป็นเพียงส่วนประกอบทางไฟฟ้าในองค์ประกอบของแรงกระตุ้นเส้นประสาท มันอธิบายลักษณะการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับประจุของส่วนท้องถิ่นของเมมเบรน
แรงกระตุ้นของเส้นประสาทเกิดขึ้นที่ไหน
พวกเขาเริ่มเดินทางที่ไหน? คำตอบสำหรับคำถามนี้สามารถให้ได้โดยนักเรียนทุกคนที่ศึกษาสรีรวิทยาของการเร้าอารมณ์อย่างขยันขันแข็ง มีสี่ตัวเลือก:
- ตัวรับปลายเดนไดรต์ หากมีอยู่ (ซึ่งไม่ใช่ข้อเท็จจริง) แสดงว่ามีสิ่งกระตุ้นที่เพียงพอ ซึ่งจะสร้างศักย์ไฟฟ้าในเครื่องกำเนิดก่อน แล้วจึงกระตุ้นเส้นประสาท ตัวรับความเจ็บปวดทำงานในลักษณะเดียวกัน
- เยื่อหุ้มเซลล์กระตุ้นไซแนปส์ ตามกฎแล้ว สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการระคายเคืองอย่างรุนแรงหรือผลรวมของพวกมัน
- โซนทริกเกอร์เดนทริด. ในกรณีนี้ ศักยภาพ postsynaptic กระตุ้นในท้องถิ่นจะถูกสร้างขึ้นเพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้า หากโหนดแรกของ Ranvier เป็น myelinated ก็จะรวมเข้าด้วยกัน เนื่องจากการมีอยู่ของส่วนของเมมเบรนที่นั่น ซึ่งมีความไวเพิ่มขึ้น จึงเกิดแรงกระตุ้นเส้นประสาทที่นี่
- แอกซอนฮิลล็อค. นี่คือชื่อของสถานที่ที่แอกซอนเริ่มต้น เนินดินเป็นสิ่งที่พบได้บ่อยที่สุดในการสร้างแรงกระตุ้นบนเซลล์ประสาท ในสถานที่อื่น ๆ ทั้งหมดที่พิจารณาก่อนหน้านี้มีโอกาสน้อยกว่ามาก นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าเมมเบรนมีความไวเพิ่มขึ้นรวมถึงระดับขั้วที่สำคัญที่ต่ำกว่า ดังนั้น เมื่อการรวมศักยภาพของ postsynaptic กระตุ้นหลายอย่างเริ่มต้น เนินเขาตอบสนองต่อพวกมันก่อน
ตัวอย่างการแพร่กระจายของการกระตุ้น
การบอกทางการแพทย์อาจทำให้เกิดความเข้าใจผิดในบางประเด็น เพื่อกำจัดสิ่งนี้ ควรอ่านความรู้ที่ระบุโดยสังเขปโดยสังเขป ยกตัวอย่างไฟกัน
จำกระดานข่าวของฤดูร้อนที่แล้ว (จะได้ยินอีกครั้งในเร็วๆ นี้ด้วย) ไฟลุกลาม! ในเวลาเดียวกัน ต้นไม้และพุ่มไม้ที่ลุกไหม้ยังคงอยู่ในที่ของมัน แต่ด้านหน้าของไฟนั้นไปไกลกว่าที่ที่เกิดเพลิงไหม้มากขึ้นเรื่อยๆ ระบบประสาททำงานในลักษณะเดียวกัน
บ่อยครั้งจำเป็นต้องทำให้ระบบประสาทที่เริ่มตื่นเต้นสงบลง แต่สิ่งนี้ไม่ง่ายที่จะทำเหมือนในกรณีไฟไหม้ ในการทำเช่นนี้พวกเขาทำการแทรกแซงในการทำงานของเซลล์ประสาท (เพื่อการรักษา) หรือใช้วิธีการทางสรีรวิทยาต่างๆ เปรียบได้กับการราดน้ำบนกองไฟ