Как невроните в живия организъм генерират електрични сигнали?
За да се породи електрически сигнал, настъпват промени в пропускливостта на клетъчната мембрана за определени йони. В състояние на покой средата, която е вътре и вън от клетъчната мембрана изглежда така:
- вътре има висока концентрация на калиеви йони, органични анийони и по-ниска концентрация на хлорни и натриеви йони;
- навън има висока концентрация на хлорни, натриеви йони и по-ниска концентрация на калиеви йони.
Така се оказва, че средата вън и вътре в клетката е положително заредена, но има повече положителни заряди от външната страна на мембраната, отколкото вътре в клетката – това състояние е познато като потенциал на покой. Ако я нямаше мембраната, за да се стигне до равновесие, отрицателни заряди щяха да се стремят да излязат от клетката или положителните заряди - да влязат в нея, но йоните не могат да преминат директно през мембраната. Вместо това те трябва да използват специализирани белтъчни канали. Някои йонни канали са силно специализирани да пропускат само един вид йони, докато други пропускат различни видове йони. Каналите за калиеви и натриеви йони са силно специализирани. Когато невронът е в състояние на покой има движение основно на калиеви йони през калиевите йонни канали, които са отворени при състояние на покой и така калиевите йони се опитват да приближат мембранния потенциал към своя отрицателен равновесен потенциал и потенциала на покой на клетката е около -70 миливолта.
Мембранният потенциал на клетката се контролира чрез промяна на броя на отворените йонни канали и това е страхотен начин и за генериране на електрични сигнали.
Когато даден неврон се стимулира, като например чрез сензорен вход или невротрансмитер, йонните канали в клетъчната мембрана се отварят, позволявайки на положително заредени йони като натрий (Na+) да навлязат в клетката. Този приток на положителни йони кара клетката да стане по-малко отрицателна и това се нарича деполяризация.
Навлезлите положителни йони се „разбягват“ във всички посоки. Не след дълго, поради желанието на все повече и повече положителни йони да се отделят от другите положителни йони, концентрацията на положителни йони ще започне да се разсейва, което ще доведе до увеличаване на волтажа. Активното покачване на волтажа се нарича акционен потенциал (потенциал на действие).
След потенциала на действие клетъчната мембрана се връща към своя потенциал на покой чрез процес, наречен реполяризация. Това включва движението на положително заредени йони като калий (K+) извън клетката, което възстановява отрицателния заряд вътре в клетката.
Когато потенциалът за действие достигне края на аксона, той задейства освобождаването на невротрансмитери в синапса. Тези невротрансмитери се свързват с рецепторите на съседния неврон, мускул или жлеза, като засилват или потискат тяхната активност.
Знаем, че зада се предава електрически импулс е най-добре е материята, по която ще преминава токът, да има добра проводимост, с други думи ниска резистентност. Важно е обаче около нея да има и изолатор. Ако токът тече по голи медни жици ще има голяма загуба на енергия. Ако жицата е покрита от добър изолатор, токът ще се движи по-бързо и няма да има загуба на енергия.
Нека се върнем обаче на неврона - функцията на изолатор играе миелиновата обвивка на аксоните. Дори и при наличието на добър изолатор, обаче разпространяването на заряда ще означава отслабване на сигнала и невъзможност за предаването му на големи разстояния.
Как се справя с това нервната система?
Ако има зона, в която се провокира акционен потенциал, сигналът ще се усили и после пак ще отслабне до следващата точка. Това предполага комбинация от добър изолатор като миелиновата обвивка, за да се ускори предаването на импулса с минимални загуби на енергия и зони без миелинова обвивка, за да се създаде акционен потенциал и сигналът „да се усили“. Този вид проводимост, при която сигналът непрекъснато се усилва, изглежда все едно подскача се нарича скокообразна електропроводимост. Па този начин разпространението на нервния импулс по миелинизираните нервни влакна става по-бързо в сравнение с амиелинизираните нервни влакна със същия диаметър.
Тази скокообразна електропроводимост е възможна поради анатомичното устройство на аксона. На места миелиновата обвивка е прекъсната и тези зони са познати като възли на Ранвие (Ranvier) по името на френския хистолог, който ги е описал. На практика става въпрос за прекъсвания между клетките, които образуват миелиновата обвивка – олигодендроцити в централната нерва система и Шванови клетки в периферната нервна система. По този начин миелиновата обвивка не е плътна и нервният импулс по миелинизираните нервни влакна се предава много бързо, отколкото в немиелинизираните аксони.
Как невроните си говорят помежду си и с клетките на, които трябва „да наредят“ да изпълнят някакво действие?
Целият този „разговор“ се случва в синапса, мястото на комуникация между два неврона или между неврон и ефекторната му клетка, напр. мускулна, жлезна или др. клетка.
Синапс е мястото, където невронът подател (пресинаптичен неврон) предава посланието (акционния потенциал) на неврона получател (постсинаптичен неврон).
Много спорове през вековете са водени относно това дали предаването на информацията в синапса се случва по електрически или по химичен път. Днес науката знае, че синаптичното предаване на сигнали може да бъде електрично или химично, дори в един и същ синапс може да има и химично и електрично предаване на информацията! Все пак по-често наблюдавано и по-сложно е химичното предаване на нервния импулс.
В края на пресинаптичния аксон има леко разширяване, което наричаме аксоналното окончание. В аксоналното окончание съществуват много синаптични везикули – малки сфери, оградени от мембрана и изпълнени с химични вещества, известни като невротрансмитери. Клетъчните мембрани на пресинаптичния и постсинаптичния неврон не са допрени една до друга, а има тясно пространство, което се нарича синаптична цепка. Когато акционен потенциал (нервен импулс) достигне окончанието на аксона, той активира калциевите йонни канали на клетъчната мембрана.
Тъй като в спокойно състояние калциевите йони са много повече в пространството извън клетката, отколкото в нея, при активирането на калциевите канали калция започва да навлиза във вътрешността на клетката. Това активира синаптичните везикули. Те се сливат с мембраната на аксоналното окончание и излизват невротрансмитерите в синаптичната цепка. Невротрансмитера се придвижва до мемраната на постсинаптичния неврон и се свързва със съответните рецептори. След като се формира комплекса невротрансмитер-рецептор, настъпва отваряне или затваряне на йонни канали в мембраната на постсинаптичния неврон. Съответно мембрана се деполяризира (вътрешността й става по-положително заредена) или се хиперполяризира (вътрешността й става по-отрицателно заредена). Това зависи от вида да йоните, които преминават през отворените канали в мембраната. Когато мембраната се деполяризира възниква акционен потенциал и съответно разпространение на нервния импулс.
Синапсът притежава и механизъм да „се изключва“. Това става чрез почистване на синаптичната цепка от невротрансмитера. Невротрансмитерът може да се разгради от ензим, може да се върне обратно в пресинаптичния неврон или просто да се разсее чрез дифузия. В някои случаи невротрансмитерът може да бъде "почистен" от близки глиални клетки.
