Sinh lý chức năng của neuron

Hệ thống thần kinh

Hệ thống thần kinh bao gồm hàng tỷ neuron với hàng nghìn tỷ synap có chức năng duy nhất là giao tiếp. Sự giao tiếp giữa các neuron xảy ra ở synap, điểm kết hợp của hai neuron. Synap bao gồm phần tận và các túi tiếp hợp, khe synap và vùng của neuron sau synap có chứa các kênh ion. Nhớ lại trong Chương 11 rằng khi một chất dẫn truyền thần kinh được giải phóng vào khe synap, neuron sau synap (neuron hậu synap) sẽ bị ức chế hoạt động hoặc bị kích thích hành động (Von Bohlen und Halbach & Dermietzel, 2006). Chúng ta hãy kiểm tra việc truyền thông tin ở cấp độ neuron. Để làm được điều đó, chúng ta phải giải quyết độ dốc (gradient) năng lượng, điện tích và tính thấm của màng.

Độ dốc (gradient)

Sự tương tự với một thác nước sẽ giúp giải thích độ dốc. Các kỹ sư xây dựng các tháp nước để chứa nước để bạn có thể bật vòi dẫn để uống hoặc tắm. Nước được bơm lên tháp bằng năng lượng điện và năng lượng tiêu hao để làm điều này được lưu trữ trong mức nước dâng cao. Vì năng lượng có khả năng tiêu hao nên gọi là thế năng. Có một sự chênh lệch áp suất giữa bể chứa qua vòi nước, và nước sẽ chảy từ điểm có áp suất cao hơn đến điểm có áp suất thấp hơn. Bạn biết rằng nước sẽ không tự nhiên chảy theo đường ống lên tháp, nhưng nó sẽ chảy khá tự do nếu bạn làm vỡ đường ống trong nhà. Điều đó tạo tiền đề cho việc thảo luận về sự di chuyển của các ion qua thành màng của neuron. Các gradient được thiết lập giữa bên trong và bên ngoài tế bào và các ion có xu hướng chảy để cân bằng “áp suất” đó. Chúng ta có máy bơm di chuyển các ion để tăng độ dốc đó và chúng ta có các vòi dẫn mà chúng ta bật để cho các ion đó tràn vào. Có hai dạng gradient cơ bản thúc đẩy sự vận chuyển ion: gradient điện hóa và gradient nồng độ.

Gradient điện hóa

Trong neuron, một gradient rất quan trọng được thiết lập bằng cách sử dụng điện tích phân tử. Bạn có thể nhớ khi chơi với nam châm rằng các cực dương của hai nam châm đẩy nhau, nhưng các cực dương khác nhau thì hút nhau. Các ion có tính chất tương tự. Ion là các nguyên tử bị mất hoặc nhận thêm electron (hạt âm), khiến chúng mang điện tích dương hoặc điện tích âm, giống như nam châm. Cũng giống như nam châm, các ion dương sẽ bị đẩy bởi các ion dương khác nhưng sẽ bị hút bởi các ion âm.

Độ dốc nồng độ

Loại gradient thứ hai liên quan đến giao tiếp neuron phát sinh từ nồng độ của các ion. Nếu có nồng độ cao của các phân tử ở một bên của màng (gradien nồng độ cao), các phân tử có xu hướng di chuyển cho đến khi có số lượng phân tử bằng nhau ở hai bên màng. Khi các hạt tích điện chuyển động sẽ tạo ra dòng điện. Nghĩa là, nếu các ion di chuyển qua màng để đi vào hoặc rời khỏi tế bào thì chính hành động di chuyển đó sẽ tạo ra dòng điện. Điều này quan trọng vì nhiều lý do. Đầu tiên, dòng điện là động lực chính trong việc kích hoạt màng tế bào, trong đó nó kích hoạt các kênh ion, mở ra để thúc đẩy nhiều chuyển động hơn, như sẽ được thảo luận. Thứ hai, đây là hoạt động điện mà các bác sĩ ghi lại khi họ thực hiện điện não đồ: Dấu vết EEG là tổng hợp của nhiều hoạt động thần kinh, được tạo ra bởi các “máy phát” trong não. Quan trọng hơn, đối với lĩnh vực của chúng tôi, hoạt động điện của tế bào thần kinh được các nhà thính học ghi lại khi họ thực hiện kiểm tra phản ứng thân não thính giác (ABR). Thử nghiệm này cho phép các nhà thính học xác định xem đường dẫn thính giác có còn nguyên vẹn hay không bằng cách đo các bức xạ điện não đồ đã bị khóa theo thời gian đối với một kích thích như nguồn âm đơn hoặc tiếng click. Mặc dù bạn sẽ tìm hiểu thêm về điều này trong quá trình nghiên cứu các quy trình thính học, nhưng hiện tại bạn phải biết rằng ABR và các phép đo tương tự về chức năng não là những công cụ cực kỳ quan trọng được các nhà thính học sử dụng.

Các ion không thể đi qua các bức tường màng trừ khi những bức tường đó có tính thấm. Tính thấm là đặc tính của màng xác định mức độ dễ dàng mà các ion có thể đi qua màng. Trong những trường hợp thích hợp, thành neuron được coi là bán thấm, nghĩa là một số ion có thể đi qua nó. Các ion có thể đi vào hoặc ra khỏi thành tế bào thần kinh khỏe mạnh thông qua hai cơ chế: vận chuyển thụ động và chủ động.

Vận chuyển thụ động

Các ion ở nồng độ cao hơn bị cản trở khi đi qua màng thần kinh bởi các protein đặc biệt đóng vai trò là người gác cổng. Các protein nhạy cảm với điện áp là những người gác cổng mở ra khi chúng nhận được đủ kích thích điện. Ngoài ra còn có các protein kênh cho phép các ion cụ thể đi qua màng. Về cơ bản, những protein này ngăn cản các ion đi qua màng cho đến khi xảy ra trường hợp cụ thể. Khi đáp ứng đủ điều kiện vận chuyển, những protein này sẽ cho phép các ion biệt định đi qua thành màng. Chuyển động này được coi là vận chuyển thụ động vì không tiêu tốn năng lượng để di chuyển các ion qua hàng rào; đúng hơn, gradient được thiết lập bởi sự chênh lệch giữa hai bên của màng gây ra sự chuyển động của ion.

Vận chuyển tích cực

Cơ chế thứ hai để di chuyển các ion (vận chuyển ion) là bơm chủ động. Bạn sẽ nhớ lại rằng trong ví dụ về bể nước, phải có cái gì đó bơm nước vào bể. Để làm được điều đó đòi hỏi một quá trình tích cực sử dụng năng lượng. Có các máy bơm ion để di chuyển các ion natri (Na⁺) và kali (K⁺) ngược lại độ dốc (tức là bơm chúng lên dốc). Năng lượng được sử dụng bởi các protein bơm natri-kali này ở dạng adenosine triphosphate (ATP), một sản phẩm của ty thể của tế bào. Các máy bơm hoạt động liên tục, di chuyển ba ion natri ra ngoài thì có hai ion kali di chuyển vào. Vận chuyển tích cực là cần thiết để điều chỉnh lại sự cân bằng của các ion trên màng, sao cho có một sự chênh lệch giữa bên ngoài và bên trong neuron. Các ion di chuyển thụ động qua màng do gradient; nhưng khi độ dốc đó bị loại bỏ, vận chuyển tích cực sẽ chịu trách nhiệm thiết lập lại nó. Bây giờ chúng ta có các mảnh để kích hoạt một neuron.

Khi một neuron ở trạng thái nghỉ, bên trong neuron có điện tích âm, phát sinh từ số lượng ion dương tương đối nhỏ hơn trong không gian nội bào (không gian bên trong tế bào riêng lẻ so với bên ngoài trong không gian kẽ (không gian giữa các tế bào). Ở trạng thái nghỉ, có một chênh lệch điện thế 120 mV, một gradient sẽ thúc đẩy chuyển động của ion nếu kênh mở ra cho phép chuyển động đó. Điện tích này được gọi là điện thế màng nghỉ (RMP). Ở trạng thái nghỉ, số lượng ion K⁺ bên trong nhiều gấp 30 lần bên ngoài, và số lượng ion Na⁺ bên ngoài nhiều gấp 10 lần so với bên trong tế bào. K⁺ liên tục thoát ra khỏi tế bào và liên tục được bơm trở lại bởi bơm natri-kali. Ngoài ra, bên ngoài tế bào cũng có nhiều ion clorua tích điện âm hơn bên trong, nếu màng cho phép dòng ion tự do, gradient hóa học sẽ đẩy Na⁺ vào trong tế bào và kéo K⁺ ra khỏi tế bào. Số lượng hạt tích điện trong tế bào nhỏ hơn sẽ tạo ra hiệu điện thế đến −70 mV.

Điện thế hoạt động (AP) là sự thay đổi điện thế xảy ra khi màng tế bào được kích thích đầy đủ để cho phép trao đổi ion giữa không gian trong và ngoài tế bào. Khi đạt đến ngưỡng kích thích tới hạn, các cổng ion Na⁺ mở ra, khiến một lượng lớn ion tràn vào không gian nội bào và do đó nâng điện thế nội bào lên +50 mV trong khoảng thời gian khoảng 1 ms (đây là một sự thay đổi thực sự, khoảng 120mV). Sự cân bằng gradient ion được gọi là khử cực. Trong khoảng 0,5 ms, không có lượng kích thích nào lên vùng màng đó sẽ khiến nó tái cực trở lại. Giai đoạn tái cực này được gọi là giai đoạn trơ tuyệt đối, phần lớn được thực hiện nhờ hiệu ứng kẹp, khi đưa Cl⁻ vào. Thời kỳ trơ tuyệt đối là thời gian mà màng tế bào không thể được kích thích để khử cực. Trong giai đoạn trơ tuyệt đối, kênh K⁺ mở ra và ion K⁺ chảy ra khỏi khoang nội bào. Các cổng natri tự động đóng lại và trở nên bất hoạt (natri bất hoạt), và bơm natri-kali loại bỏ hầu hết các ion Na⁺, đồng thời làm tăng nồng độ ion K⁺ nội bào. Kênh kali chậm hơn kênh natri và dòng ion K⁺ thoát ra thực sự thúc đẩy sự phục hồi RMP, vì nó làm tăng tính dương tương đối của dịch ngoại bào và do đó làm tăng tính âm của dịch nội bào.

Có một khoảng thời gian sau giai đoạn trơ tuyệt đối trong đó màng có thể bị kích thích, nhưng sự kích thích phải lớn hơn nhiều so với mức cần thiết để khử cực nó ban đầu. Thời kỳ trơ tương đối là khoảng thời gian trong đó màng có thể được kích thích để kích thích trở lại, nhưng chỉ với mức độ kích thích lớn hơn mức thông thường. Thời kỳ này diễn ra sau thời kỳ trơ tuyệt đối. Thời gian trơ tương đối kéo dài từ 5 đến 10 ms.

Để các AP được tạo ra, các kênh màng phải bị mở. Các phần của màng tế bào có thể bị khử cực chỗ này, nhưng các phần chỗ khác của màng không bị khử cực cho đến khi đạt đến ngưỡng tới hạn. Giới hạn tới hạn tại đó các kênh màng bị mở là khoảng −50 mV. Nghĩa là, các phần của màng tế bào có thể bị khử cực, nhưng AP không được tạo ra cho đến khi chuyển động của ion đủ để nâng điện thế màng từ -70 lên -50 mV. Nếu màng nhận đủ kích thích để làm cho hiệu điện thế giảm xuống -50 mV, thì một AP sẽ được tạo ra, gây ra một dòng chuyển động ion và sự khử cực hoàn toàn của neuron. Nếu kích thích không dẫn đến chuyển ion đủ để đạt đến mức này thì AP sẽ không được kích hoạt và RMP sẽ được phục hồi nhờ hoạt động liên tục của bơm ion. Đây là một chức năng điều chỉnh quan trọng của neuron, như chúng ta sẽ thấy: nó giữ cho neuron không hoạt động cho đến khi có đủ kích thích.

Toàn bộ chu trình từ RMP đến AP và quay lại RMP mất khoảng 1 ms ở hầu hết các neuron và đây là khoảng thời gian xác định. Điều đó có nghĩa là một neuron có thể phản hồi cứ sau 1/1.000 giây hoặc 1.000 lần mỗi giây. Ngay cả khi được kích thích 2.000 lần mỗi giây, neuron sẽ không thể phản ứng thường xuyên hơn.

Lan truyền

Một AP sẽ không hoạt động tốt chút nào nếu nó không lan truyền, bởi vì sẽ không có thông tin nào được truyền đến neuron tiếp theo hoặc đến sợi cơ. Sự lan truyền đề cập đến hiệu ứng lan rộng của tác động sóng, giống như gợn sóng được tạo ra bằng cách ném một hòn đá xuống ao lan ra từ điểm tiếp xúc của hòn đá với nước. AP được lan truyền theo làn sóng khử cực. Khi màng trải qua quá trình phân cực cục bộ đạt đến giới hạn tới hạn, các ion sẽ di chuyển nhanh qua màng, như chúng ta đã thảo luận. Bởi vì màng lân cận chứa các kênh protein nhạy cảm với điện áp nên dòng điện cũng kích thích các vùng đó khử cực. Theo cách này, quá trình khử cực lan rộng dọc theo màng, cuối cùng đến tận cùng của sợi trục. Sự tái tạo AP này dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi trục tạo ra sự chênh lệch điện áp chính xác như nhau.

Neuron phản ứng theo cách được tất cả hoặc không có gì. Tức là nó có thể khử cực hoặc không. Nếu nó không khử cực được thì không có AP nào được tạo ra và không có thông tin nào được truyền tải. Nếu đạt đến ngưỡng tới hạn cho quá trình khử cực, một AP sẽ được tạo ra và thông tin sẽ được truyền đi. Theo nghĩa này, neuron hoạt động giống như một công tắc đèn và sự thay đổi duy nhất về thông tin là do tần số mà neuron được “bật”, được gọi là tốc độ tăng vọt hoặc tốc độ phóng điện.

Sự lan truyền của AP được tạo điều kiện thuận lợi nhờ đường kính sợi trục và sự hiện diện của myelin. Các sợi có đường kính lớn hơn lan truyền với tốc độ cao hơn nhiều so với các sợi có đường kính nhỏ hơn và myelin còn tăng tốc độ lan truyền hơn nữa. Myelin được bố trí trên sợi trục theo hình “bánh xúc xích” với các nút màng lộ ra giữa chúng, được gọi là nút Ranvier. Các kênh nhạy cảm với điện thế được tìm thấy trong màng tại các nút Ranvier nhưng thường không có ở các vùng có myelin. Myelin cách ly sợi để ngay cả khi có các kênh, chúng cũng không có chức năng gì vì các ion không thể đi qua chúng. Các nút Ranvier được đặt cách nhau một cách chính xác, dựa trên (tuỳ thuộc) đường kính của sợi trục, để thúc đẩy thời gian dẫn truyền tối đa.

Do đó, màng sẽ bị khử cực ở một nút và tác động của quá trình khử cực đó được cảm nhận ở nút tiếp theo nơi màng cũng khử cực. Điện thế hoạt động lan truyền được truyền từ nút này sang nút khác và bước nhảy này được gọi là dẫn truyền nhảy/ saltatory. Rõ ràng, trong các sợi dài, có thể tiết kiệm được nhiều mili giây quý giá bằng cách chuyển từ nút này sang nút khác.

Khi xung điện đạt đến điểm cuối trên sợi trục, một quá trình chuyên biệt hóa cao độ sẽ bắt đầu. Các túi tiếp hợp trong các đầu tận giải phóng một chất dẫn truyền thần kinh cho phép giao tiếp giữa hai neuron. Chất dẫn truyền thần kinh là chất gây ra sự kích thích hoặc ức neuron khác, hoặc sự kích thích sợi cơ. Khi AP đạt đến điểm cuối, các túi được kích thích di chuyển đến thành màng, nơi chúng thải chất dẫn truyền thần kinh qua màng vào khe synap.

Chất dẫn truyền thần kinh di chuyển vào synap rất nhanh (100 micro giây), được đưa vào khe để kích hoạt các protein thụ thể trên neuron sau synap. Sự hiện diện của chất dẫn truyền thần kinh trong khe sẽ kích hoạt các kênh ion mở ra. Các chất dẫn truyền thần kinh phù hợp với các kênh ion biệt định và nếu một chất dẫn truyền thần kinh nhất định không khớp với protein kênh thụ thể thì neuron sau synap sẽ không hoạt động. Nghĩa là chất dẫn truyền thần kinh là chìa khóa còn cơ quan tiếp nhận là ổ khóa: nếu chìa không khớp thì cổng sẽ không mở được.

Chất dẫn truyền thần kinh có thể có tác dụng kích thích hoặc ức chế neuron. Tác động kích thích làm tăng khả năng khử cực của neuron, trong khi tác dụng ức chế làm giảm xác suất đó. Kích thích kích thích tạo ra điện thế kích thích sau synap (EPSP), trong khi kích thích ức chế tạo ra điện thế ức chế sau synap (IPSP). Sự kích thích gây ra sự khử cực, trong khi sự ức chế gây ra sự siêu phân cực, làm tăng đáng kể ngưỡng truyền dẫn.

Nói chung, các synap ức chế được tìm thấy trên soma. Các synap trên đuôi gai thường bị kích thích. Các synap trên sợi trục có xu hướng làm giảm lượng chất dẫn truyền thần kinh được giải phóng vào khe synap, do đó điều chỉnh dòng chất dẫn truyền thần kinh.

EPSP thực sự bắt đầu như một điện thế sau synap vi mô hoặc thu nhỏ (MPSP), khử cực màng chỉ khoảng 3 mV. Nếu có đủ số lượng khử cực MPSP, tổng số khử cực của chúng sẽ đạt đến ngưỡng tới hạn và một AP sẽ được tạo ra, như trên đây. Bạn có thể coi đây là sự bỏ phiếu của các neuron. Hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn neuron hình thành các synap trên một neuron nhất định và điều đó có nghĩa là đầu ra của neuron đơn lẻ đó phản ánh “sự khôn ngoan thông thường” của tất cả các neuron đó. Nếu đủ số lượng các synap đó được kích hoạt, phần lớn sẽ thắng trong một cuộc bầu cử mà bạn không thể nhìn thấy: mỗi neuron bỏ “phiếu bầu” ủng hộ (hoặc chống lại) việc kích hoạt, dưới hình thức kích hoạt một phần nhỏ của màng tiếp nhận. Nếu có đủ số lượng chất khử cực thì sẽ có AP. Điều này được gọi là tổng hợp không gian. Tổng hợp không gian đề cập đến hiện tượng nhiều hoạt động synap gần như đồng thời, đại diện cho nhiều điểm tiếp xúc được sắp xếp trên bề mặt của neuron. Tương tự như vậy, có thể có sự tổng hợp theo thời gian, trong đó một số lượng nhỏ hơn các vùng khử cực gần như đồng thời. Để mở rộng phép loại suy về bỏ phiếu của chúng tôi, để phù hợp với tổng kết theo thời gian, các phiếu bầu sẽ phải được bỏ vào khoảng thời gian gần như giống nhau để được tính (những lá phiếu gửi qua thư đến muộn sẽ không giúp đưa ra quyết định).

Các neuron đơn lẻ có thể lấy đầu vào từ hàng nghìn neuron khác để tạo ra một phản ứng duy nhất, quá trình này gọi là hội tụ. Trong cấu hình này, một lượng thông tin được chắt lọc thành một phản hồi duy nhất. Ngược lại, sự phân kỳ xảy ra khi sợi trục của một neuron tạo synap với hàng nghìn neuron khác. Một phần thông tin duy nhất của nó được truyền đến một loạt các neuron khác.

Chất dẫn truyền thần kinh được giải phóng vào khe synap sẽ không bị lãng phí. Ngay sau khi nó được giải phóng, các enzym đặc hiệu của nó sẽ phân hủy nó để tái tổng hợp trong neuron.

Tóm lại: • Sự giao tiếp giữa các neuron của hệ thần kinh xảy ra ở synap. • Các chất dẫn truyền thần kinh đi qua khe synap sẽ kích thích hoặc ức chế neuron sau synap. • Nếu neuron được kích thích đủ mức thì điện thế hoạt động sẽ được tạo ra. • Kích thích màng neuron để khử cực neuron, gây ra sự trao đổi ion giữa không gian ngoại bào và nội bào, và sự di chuyển của ion dẫn đến sự thay đổi lớn và có thể dự đoán được về điện áp trên màng. • Điện thế nghỉ của màng là điện thế có thể đo được trước khi bị kích thích. • Thời kỳ trơ tuyệt đối sau khi bị kích thích là khoảng thời gian trong đó neuron không thể bị kích thích để truyền dẫn, trong khi nó có thể truyền dẫn trong thời kỳ trơ tương đối nếu được kích thích đầy đủ. • Sợi bị myelin hóa dẫn truyền làn sóng khử cực nhanh hơn sợi bị mất myelin, chủ yếu là do dẫn truyền nhảy.