Ajujahi tegevused klassiruumis

Ajurünnaku tegevused klassiruumis

Juhislause: Kõik tegevused, mida me sooritame, ja kõik emotsioonid, mida tunneme, sõltuvad närvisignaali ülekandest neuronite vahel. Kuidas suudab orgaaniline aine koguda, analüüsida ja edastada informatsiooni väga suure täpsuse ja kiirusega? Meie heaolu sõltub iga närvivõrgu elemendi korralikust toimimisest. Milliseid tehnoloogiaid saab kasutada sekkumiseks, kui miski ei toimi õigesti?

Algtaseme

• Neuronid
• Närviimpulsi teke
• Signaali leviku füüsikaline mudel neuronis

Neuronid

Inimese ajus on umbes 100 miljard rakku, neuroni, mis on spetsialiseerunud närvisignaalide edastamisele, peamiselt elektrilist laadi. Neuron koosneb mitmest osast, millel on kindlad funktsioonid: rakukehast (või soma), mis sisaldab tuuma, dendriitidest ja aksonist. Närvisignaal, mis tuleb teistelt neuronitelt või retseptororganitelt, kogutakse ja edastatakse tuumale dendriitide kaudu, mis on tuuma lühikesed ja hargnenud jätked. Rakukehas töödeldakse signaal ja edastatakse aksonile, mis on väga pikk jätke ning mille ülesanne on viia elektriline signaal teistele rakkudele. Neuroni sisemust eraldab välisest interstitsiaalsest vedelikust tsütoplasma membraan. Aksonid on mõnikord suurema osa pikkusest ümbritsetud paksu isoleermaterjaliga, müeliinkihiga. Aksoni lõpus hargneb see erineva arvu lõppemisteks, sünaptilisteks nuppudeks, kus elektriline signaal muudetakse keemiliseks signaaliks neurotransmitteri abil.

^{Allikas     pilt:    Online Medicine}

Neuronitel on elektrilise potentsiaali erinevus tsütoplasma membraani sees ja väljaspool, mis on peamiselt tingitud erinevast naatriumi (Na+) ja kaaliumi (K+) ioonide kontsentratsioonist membraani kahel poolel. Kui neuron on puhkeolekus, st ei edasta signaale, on see potentsiaalide erinevus, mida nimetatakse puhkeoleku potentsiaaliks, väärtustega vahemikus -60 mV kuni -80 mV. Tsütoplasma membraanil on ioonkanalid ja -pumbad, mis avanevad ja sulguvad vastusena teatud stiimulitele, reguleerides ioonide liikumist ja muutes seeläbi elektrilist potentsiaali.

 
Raku sisemus on rikas K+ ioonide ja negatiivsete ioonide poolest, mis on seotud orgaaniliste makromolekulidega, samas kui raku väliskülg on rikas Na+ ja Cl- ioonide poolest. Na+ ja K+ ioonide kontsentratsiooni reguleerivad kolm membraanivalgu, mida nimetatakse ioonkanaliteks või pumpadeks:

• naatriumikanalid;
• kaaliumikanalid;
• naatrium-kaalium pump.

Neuroni membraanil on palju kaaliumikanaleid: need kanalid viivad K+ ioone membraani seest välja, kuigi sel viisil suureneb raku sisemus negatiivsemaks. Samas ei saa negatiivsed ioonid rakusiseselt väljapoole hajuda, sest nad on liiga suured, et membraanist läbi pääseda. 

Naatriumikanaleid on vähe ja need suunavad naatriumioone sissepoole.
Naatrium-kaalium pump toimib ioonide loomuliku liikumise suunale vastupidiselt, viies Na+ välja ja K+ sisse rakku. Puhkeolekus on membraan praktiliselt läbimatu Na+ ioonide sisenemisele.

Mõtleme koos: Neuronid on keha vanimad rakud: nad ei suuda ennast paljundada ja kui kahjustused põhjustavad nende surma, ei suuda ümbritsevad rakud neid asendada. Aastate möödudes muutub närvisüsteemi funktsionaalsus vähem tõhusaks: seetõttu on uurijad huvitatud uute meetodite leidmisest, mis suurendaksid aju võimet toota uusi neuroneid (neurogenees), et parandada õppimist ja mälu. Mida saad teha, et hoida oma neuronid terved? Kuidas saad hoida oma mõistust treenituna?

Närviärrituse teke

Kõik välised signaalid võetakse vastu dendriitide poolt ja edastatakse tuuma. Kui neuroni tuumale jõuab stiimul, mis suudab muuta puhkepotentsiaali kuni läviväärtuseni (umbes -50 mV), tekib aktsioonipotentsiaal ehk närviimpulss, mis levib mööda aksonit.

Aktsioonipotentsiaali teke on seotud ioonide vahetusega läbi mõnede pingest sõltuvate naatriumi (Na+) ja kaaliumi (K+) kanalite. Naatriumikanalid avanevad esimesena, kui potentsiaal jõuab läviväärtuseni, surudes ioone rakku, mis on negatiivne, ja depolariseerides membraani kiiresti. Naatriumioonide vool membraani sisse põhjustab polaarsuse pöördumise: membraani sees on nüüd positiivse laengu ülejääk ja väljas selle puudus. Nii depolariseerub membraan, kuni saavutab potentsiaali +50 mV, mis on aktsioonipotentsiaali maksimaalne väärtus.

Depolarisatsiooni seisund kestab siiski vaid 1 kuni 2 millisekundit.

Pärast seda sulguvad pingest sõltuvad naatriumikanalid ja avanevad pingest sõltuvad kaaliumikanalid. Viimased avanevad aeglasemalt ja jäävad kauemaks avatuks: K+ ioonid voolavad membraani välisküljele, mis hakkab repolariseeruma, tuues potentsiaali tagasi negatiivsele väärtusele. K+ vool jätkub, tekitades hüperpolarisatsiooni faasi ning potentsiaal muutub puhkepotentsiaalist negatiivsemaks. Lõpuks sulguvad kõik pingest sõltuvad kanalid ja taastub naatrium-kaalium pumba aktiivsus, mis taastab plasma membraani puhkepotentsiaali. Aktsioonipotentsiaali amplituud (umbes +50 mV) ja kestus (umbes 2 millisekundit) on fikseeritud, st need ei sõltu erutuse tugevusest.

Elektriline signaal, mis levib läbi neuroni ja seejärel edastatakse järgmistele neuronitele, toimub järgmise järjestuse kaudu, mis on äärmiselt kiire:

• Tuumas töödeldud elektriline stiimul põhjustab pingest sõltuvate naatriumikanalite avanemise segmendis tuuma lähedal; kui läviväärtus saavutatakse, tekib esimene aktsioonipotentsiaal.
• Depolarisatsioon levib mööda aksonit, põhjustades pingest sõltuvate naatriumikanalite avanemise külgnevates membraani piirkondades; selle tulemusena tekib teine aktsioonipotentsiaal, mis omakorda tekitab kolmanda ja nii edasi.
• Samas piirkonnas, mis depolariseerus esimesena, avanevad pingest sõltuvad kaaliumikanalid, tuues membraani tagasi puhkepotentsiaali.
• Potentsiaalid levivad ainult ühes suunas, sest pärast sulgumist läbivad pingest sõltuvad naatriumikanalid refraktaarperioodi, mille jooksul nad ei saa uuesti avaneda.

Aktsioonipotentsiaali levik müeliinita aksonis: video aadressil: Aktsioonipotentsiaali levik müeliinita aksonis - Animaalne meditsiinifüsioloogia - YouTube

Müeliinkestaga kaetud närvikiud on veekindlamad, kuna kest toimib elektrilise isolaatorina: selle tulemusena toimub depolarisatsioon ja aktsioonipotentsiaali levik ainult nendes lõikudes, kus kest puudub, mida nimetatakse Ranvier’ sõlmedeks. Närvisignaal "hüppab" ühelt sõlmelt teisele kiiremini kui müeliinita kiududes.

Mõtleme koos: Elektrilise signaali edastamine neuronis esmalt ja hiljem teistele neuronitele on kiire ja täpne. Edastamise kiirus ja informatsiooni täpsus on otsustavad tegurid kõigi inimtegevuste korrektseks läbiviimiseks. Kui selles imelises mehhanismis midagi takerdub või peatub, põhjustades neuroloogilise haiguse, on mõju mõjutatud inimeste elukvaliteedile laastav. Uuringud signaali edastamise ja neuronite stimuleerimise toimimise põhimõtete kohta on kõige arenenumate neurotehnoloogiate aluseks, mis kasutavad elektrilist stimulatsiooni ravina. Kas oled kunagi kuulnud elektroodidest, mida kasutatakse halvatud patsientidel, kes on taas kõndima hakanud?

Signaali leviku füüsikaline mudel neuronis

Kiireks meeldetuletuseks mahtuvuse ja kondensaatorite kohta: Kondensaatorid ja kondensaatori mahtuvus (youmath.it)

Kiireks meeldetuletuseks takistuse ja takistite kohta: Takistid, elektritakistus ja elektritakistavus (youmath.it)

Akson on sarnane koaksiaalkaabliga. Aksoni sisemine osa on kaabli keskne juhtiv südamik. 

Selle takistus on suur, peamiselt tänu väikesele ristlõikele. Tsütoplasma elektriliste omaduste kirjeldamiseks tuuakse sisse ühikpikkuse takistus ri.
Aksoni välimine osa on samuti juhtiv, kuid välimine osa on palju suurem kui sisemine ning seetõttu on interstitsiaalse vedeliku takistus võrreldes sisemisega tühine. Isolatsioonimembraan moodustab kondensaatori, kuna aksoni sisemus ja väliskülg käituvad nagu kaks juhtivat plaati, salvestades vastasmärgilisi laenguid. Kondensaatoriga paralleelselt tuleb arvestada ka takistusega, mis arvestab ioonide voolu läbi membraani. Membraani elektrilise käitumise kirjeldamiseks tuuakse sisse kaks suurust: ühikpikkuse mahtuvus cm ja membraani ühikpikkuse juhtivus σμ (millest tuletame membraani takistuse meetri kohta rm).

Aksoni saab siis kirjeldada vooluringina, mis koosneb järjestikustest takistite ja kondensaatoritega võrkudest.

Stiimulipotentsiaal sõltub ajast ja asukohast aksoni ulatuses. Tegelikult iseloomustavad seda kaks parameetrit: ajakonstant τ ja ruumikonstant λ. Skeemi matemaatiline mudel võimaldab tuletada potentsiaali muutumise nii aja kui ka asukoha funktsioonina. Esimesel juhul saame:

kus Vsmax on potentsiaali maksimaalne väärtus ja τ =rmcm. 

Ajakonstant τ (suurusjärgus millisekundeid) on ajavahemik, mis kulub stiimulipotentsiaali jõudmiseks 63%-ni selle maksimaalsest väärtusest: see on mõõt, kui kiiresti neuron reageerib.

Kaugemal punktist, kus see tekib, väheneb stiimulipotentsiaal kaugusega, kuna mõju avaldavad nii ri kui ka rm takistused.
Stiimulipotentsiaal kipub vähenema vastavalt seadusele:

kus Vsmax0 on stiimulipotentsiaal tekkekohas ja λ on ruumikonstant.

Ruumikonstant λ (suurusjärgus millimeetreid) on kaugus, mille jooksul algne potentsiaalide erinevus langeb 37%-ni selle maksimaalsest väärtusest.

 
See on mõõt, kui kaugele vool saab aksonis liikuda enne, kui see lekkevoolude tõttu hajub.
Seega pärast λ kauguse läbimist on signaal vähenenud umbes 1/3-ni ja pärast 2λ on see umbes 1/7 algsest signaalist ega suuda enam vallandada aktsioonipotentsiaali. Tegelikkuses liiguvad stiimulid palju pikemaid vahemaid, suurusjärgus paar meetrit, tänu teistele mehhanismidele, mida me siin ei käsitle. Matemaatiliselt kirjeldatakse ruumikonstanti järgmiselt:

Peamine tegur, mis mõjutab sisemist takistust ri, on aksoni raadius: suure läbimõõduga aksonitel on väiksem takistus pikiaksonaalsetele vooludele ja seega väiksem aksiaalne takistus; sellest tulenevalt on neil väiksem aksoni ra.

see seos on kooskõlas eksperimentaalsete tulemustega.

Mõtleme koos: Mõiste mudel on nähtuse esitusviis, mõnikord lihtsustus, mis võimaldab selgitada, kuidas see toimib. Füüsikalise mudeli kasutamine bioloogilise nähtuse tõlgendamiseks ja mõistmiseks vastab vajadusele, millele on viidanud mitmed neuroteaduste uurijad: eemaldada tõkked erinevate distsipliinide vahel, kasutades täielikult ära erinevate teadusvaldkondade ressursse ja tehnikaid. Kas oled mõelnud oma teadmiste rakendamisele väljaspool oma eriala?