Minčių lietaus veiklos klasėje

Minčių lietaus veiklos klasėje

Gairės frazė: Visos mūsų atliekamos veiklos ir visos jaučiamos emocijos priklauso nuo nervinio signalo perdavimo tarp neuronų. Kaip organinė medžiaga gali rinkti, analizuoti ir perduoti informaciją labai dideliu tikslumu ir greičiu? Mūsų gerovė priklauso nuo tinkamo kiekvieno neuroninio tinklo elemento veikimo. Kokios technologijos gali būti naudojamos įsikišti, jei kažkas vyksta ne taip?

Pagrindinis lygis

• Neuronai
• Nervinio impulso genezė
• Signalo plitimo neurone fizikinis modelis

Neuronai

Žmogaus smegenyse yra apie 100 milijardų ląstelių – neuronų, kurie yra specializuoti perduoti nervinius signalus, daugiausia elektrinio pobūdžio. Neuroną sudaro kelios dalys, atliekančios specifines funkcijas: ląstelės kūnas (arba soma), kuriame yra branduolys, dendritai ir aksonas. Nervinis signalas, gaunamas iš and kitų neuronų arba receptorių organų, surenkamas ir perduodamas į branduolį per dendritus – trumpus ir šakotus branduolio pratęsimus. Ląstelės kūne signalas yra apdorojamas ir perduodamas į aksoną, kuris yra labai ilgas pratęsimas, atsakingas už elektrinio signalo perdavimą kitoms ląstelėms. Nuo išorinio tarpląstelinio skysčio neuroną skiria citoplazminė membrana. Aksonai dažnai didžiąją dalį savo ilgio būna apgaubti storu izoliaciniu sluoksniu – mielino dangalu. Paskutinėje dalyje aksonas išsišakoja į kintamą skaičių galūnių – sinapsinius mygtukus, kur elektrinis signalas paverčiamas cheminiu signalu per neuromediatorius.

^{Šaltinis     paveikslėlis:    Online Medicine}

Neuronai turi elektrinio potencialo skirtumą tarp citoplazminės membranos vidaus ir išorės, kuris daugiausia priklauso nuo skirtingos natrio (Na+) ir kalio (K+) jonų koncentracijos abiejose membranos pusėse. Kai neuronas yra ramybės būsenoje, t. y. neperduoda signalų, šis potencialų skirtumas, vadinamas ramybės potencialu, siekia nuo -60 mV iki -80 mV. Citoplazminėje membranoje yra jonų kanalų ir pompų, kurios atsidaro ir užsidaro reaguodamos į tam tikrus dirgiklius, reguliuodamos jonų judėjimą ir taip keisdamos elektrinį potencialą.

 
Ląstelės viduje gausu K+ jonų ir neigiamų jonų, susijusių su organinėmis makromolekulėmis, o ląstelės išorėje gausu Na+ ir Cl- jonų. Na+ ir K+ jonų koncentraciją reguliuoja trys membraniniai baltymai, vadinami jonų kanalais arba pompomis:

• natrio kanalai;
• kalio kanalai;
• natrio-kalio pompa.

Neurono membranoje yra daug kalio kanalų: šie kanalai stumia K+ jonus iš membranos vidaus į išorę, nors taip padidėja ląstelės vidaus neigiamumas. Tuo tarpu neigiami jonai ląstelės viduje negali difunduoti į išorę, nes yra per dideli, kad pereitų per membraną. 

Natrio kanalų yra nedaug ir jie linkę leisti natrio jonams difunduoti į vidų.
Natrio-kalio pompa veikia priešinga natūraliai jonų judėjimo krypčiai, stumdama Na+ į iš determinės ir K+ į ląstelės vidų. Ramybės būsenoje membrana beveik nepraleidžia Na+ jonų į vidų.

Pagalvokime kartu: Neuronai yra seniausios kūno ląstelės: jie negali daugintis, o jiems žuvus dėl pažeidimų, aplinkinės ląstelės jų pakeisti negali. Bėgant met sop nervų sistemos funkcionalumas mažėja: todėl mokslininkai ieško naujų būdų, kaip pagerinti smegenų gebėjimą gaminti naujus neuronus (neurogenezę), kad pagerintų mokymąsi ir atmintį. Ką galite padaryti, kad jūsų neuronai būtų sveiki? Kaip galite palaikyti savo protą aktyvų?

Nervinio dirgiklio kilmė

Visus išorinius signalus dendritai priima ir perduoda į branduolį. Jei į neurono branduolį atkeliauja dirgiklis, galintis pakeisti ramybės potencialą iki slenkstinės vertės (apie -50 mV), generuojamas veikimo potencialas arba nervinis impulsas, kuris plinta išilgai aksono.

Veikimo potencialo atsiradimas susijęs su jonų mainais per tam tikrus įtampos valdomus natrio Na+ ir kalio K+ kanalus. Pirmiausia atsidaro natrio kanalai, kai potencialas pasiekia slenkstinę vertę, į ląstelę patenka jonai, kuri yra neigiama, ir greitai depoliarizuoja membraną. Natrio jonų srautas į membraną sukelia poliariškumo pasikeitimą: membranos viduje dabar yra teigiamų krūvių perteklius, o išorėje jų trūksta. Taip membrana depoliarizuojasi, kol pasiekia +50 mV potencialą – maksimalų veikimo potencialo dydį.

Depoliarizacijos būsena trunka tik 1–2 milisekundes.

Po to laikui bėgant įtampos valdomi natrio kanalai užsidaro, o įtampos valdomi kalio kanalai atsidaro. Pastarieji atsidaro lėčiau ir lieka atviri ilgiau: K+ jonai teka į membranos išorę, kuri pradeda repoliarizuotis, potencialas vėl tampa neigiamas. K+ srautas tęsiasi, sukeldamas hiperpoliarizacijos fazę, ir potencialas tampa neigiamas už ramybės potencialą. Galiausiai visi įtampos valdomi kanalai užsidaro, o natrio-kalio siurblio veikla atsinaujina, atkurdama plazminės membranos ramybės potencialą. Veikimo potencialo amplitudė (apie +50 mV) ir trukmė (apie 2 milisekundes) yra pastovūs, t. y. nepriklauso nuo dirginimo stiprumo.

Elektrinis signalas, kuris plinta per neuroną ir vėliau perduodamas kitiems neuronams, vyksta pagal šią ypač greitą įvykių seką:

• elektrinis dirgiklis, apdorotas branduolio, sukelia įtampos valdomų natrio kanalų atidarymą segmente šalia branduolio; pasiekus slenkstinę vertę, generuojamas pirmasis veikimo potencialas.
• depoliarizacija plinta aksonu, sukeldama įtampos valdomų natrio kanalų atidarymą gretimose membranos zonose; taip generuojamas antrasis veikimo potencialas, kuris savo ruožtu generuos trečiąjį ir t. t.
• Tuo pačiu metu, zonoje, kuri pirmoji depoliarizavosi, atsidaro įtampos valdomi kalio kanalai, grąžindami membraną į ramybės potencialą.
• potencialai plinta tik viena kryptimi, nes užsidarius įtampos valdomiems natrio kanalams, jie patenka į refrakterinį periodą, kurio metu negali vėl atsidaryti.

Veikimo potencialo plitimas nemielinuotu aksonu: vaizdo įrašas: Veikimo potencialo plitimas nemielinuotu aksonu – animuota medicininė fiziologija – YouTube

Nervinės skaidulos, padengtos mielino apvalkalu, yra atsparesnės, nes apvalkalas veikia kaip elektrinis izoliatorius: todėl depoliarizacija ir veikimo potencialo plitimas vyksta tik tose vietose, kur jo nėra, vadinamose Ranvjė mazgais. Nervinis signalas „šokinėja“ nuo vieno mazgo prie kito daug greičiau nei nemielinuotose skaidulose.

Pagalvokime kartu: Elektrinio signalo perdavimas neurone pirmiausia ir vėliau kitiems neuronams yra greitas ir tikslus. Perdavimo greitis ir informacijos tikslumas yra lemiami veiksniai, kad visos žmogaus veiklos būtų atliekamos teisingai. Kai šiame nuostabiame mechanizme kažkas užstringa ar sustoja, sukeldamas neurologinę ligą, poveikis paveiktų asmenų gyvenimo kokybei yra pražūtingas. Tyrimai apie signalų perdavimo neuronų stimuliacijos veikimo principus yra pažangiausių neurotechnologijų pagrindas, kurios naudoja elektrinę stimuliaciją kaip terapiją. Ar kada nors girdėjote apie elektrodus, taikomus paralyžiuotiems pacientams, kurie vėl pradėjo vaikščioti?

Signalo sklidimo neurone fizikinis modelis

Trumpai apie talpą ir kondensatorius: Kondensatoriai ir kondensatoriaus talpa (youmath.it)

Trumpai apie varžą ir rezistorius: Rezistoriai, elektrinė varža ir elektrinis laidumas (youmath.it)

Aksonas panašus į koaksialinį kabelį. Vidinė aksono dalis yra centrinė kabelio laidininkė šerdis.

Jo stiprumas didelis, daugiausia dėl mažo skerspjūvio. Norint apibūdinti citoplazmos elektrines savybes, įvedama vienetinio ilgio varža ri.
Išorinė aksono dalis taip pat yra laidininkas, tačiau išorinis skerspjūvis yra daug didesnis nei vidinis, todėl tarpląstelinio skysčio varža yra nereikšminga, palyginti su vidine. Izoliuojanti membrana sudaro kondensatorių, nes aksono vidus ir išorė elgiasi kaip dvi laidžios plokštės, kaupiančios priešingų ženklų krūvius. Lygiagrečiai kondensatoriui reikia apsvarstyti ir varžą, kuri atspindi jonų srautą per pačią membraną. Norint schematizuoti membranos elektrinį elgesį, įvedamos dvi reikšmės: vienetinio ilgio talpa cm ir vienetinio ilgio membranos laidumas σμ (iš kurio išvedama membranos varža vienam metrui rm).

Aksonas gali būti schematizuotas kaip grandinė, sudaryta iš nuosekliai sujungtų rezistorių ir kondensatorių tinklo.

Stimulo potencialas priklausys nuo laiko ir vietos aksono atžvilgiu. Jis iš tiesų apibūdinamas dviem parametrais: laiko konstanta τ ir erdvės konstanta λ. Grandinės matematinis modelis leidžia išvesti potencialo kitimą tiek laiko, tiek padėties atžvilgiu. Pirmuoju atveju turėsime:

kur Vsmax yra didžiausia potencialo reikšmė, o τ =rmcm.

Laiko konstanta τ (milisekundžių eilės) yra laiko intervalas, per kurį stimulo potencialas pasiekia 63% savo maksimalios vertės: tai matas, kaip greitai neuronas reaguoja.

Tolstant nuo taško, kuriame jis generuojamas, stimulo potencialas mažėja su atstumu dėl ri ir rm varžų bendro poveikio.
Stimulo potencialas mažėja pagal dėsnį:

kur Vsmax0 yra stimulo potencialas kilmės vietoje, o λ – erdvės konstanta.

Erdvės konstanta λ (milimetrų eilės) yra atstumas, per kurį pradinis potencialo skirtumas sumažėja iki 37% maksimalios vertės.

 
Tai matas, kiek toli srovė gali tekėti aksonu, kol išsisklaido dėl nuotėkio srovių.
Taigi, nuėjus λ atstumą, signalas sumažėja iki maždaug 1/3, o po 2 λ – iki maždaug 1/7 pradinio signalo ir nebegali sukelti veikimo potencialo. Iš tikrųjų, stimuliacijos keliauja žymiai didesnius atstumus, poros metrų eilės, dėl kitų mechanizmų, kurių čia nesvarstome. Matematiškai erdvės konstanta aprašoma taip:

Pagrindinis veiksnys, lemiantis vidinę varžą ri, yra aksono spindulys: didelio diametro aksonai turi mažesnę varžą išilginiam srovės tekėjimui ir, todėl, mažesnę ašine varžą; atitinkamai jie turės mažesnę aksono ra.

ryšys, kuris atitinka eksperimentinius rezultatus.

Pagalvokime kartu: Modelio sąvoka – tai reiškinio reprezentacija, kartais supaprastinta, galinti paaiškinti, kaip jis veikia. Fizikinio modelio panaudojimas biologiniam reiškiniui interpretuoti ir suprasti atitinka poreikį, kurį pabrėžė daugelis neuromokslų tyrėjų, pašalinti barjerus tarp skirtingų disciplinų, pilnai panaudojant įvairių sričių išteklius ir technikas Pažengęs lygis Modelio analizė iš matematinės pusės Apverstas mokymasis Modelio analizė iš matematinės pusės (PDF peržiūrai) Apverstas mokymasis Perskaitykite siūlomą straipsnį. Ypač atkreipkite dėmesį į nervinių signalų tyrimą ir straipsnyje aprašytas elektrofiziologijos technikas. Tuomet užbaikite tyrimą, išanalizuodami, kurios tyrimų sritys, pasak straipsnio, yra efektyviausios tiriant neuroninius tinklus. Komentuojame straipsnyje siūlomą nervinių signalų tyrimą: Dažniausiai naudojamos elektrofiziologijos technikos: Patch Clamp technika Inside-out ir outside-out technikos Ekstraląsteliniai įrašai Ypač veiksmingos sąsajos su elektrofiziologija: farmakologija genų inžinerija, optogenetika