Δραστηριότητες καταιγισμού ιδεών στην τάξη

Δραστηριότητες καταιγισμού ιδεών στην τάξη

Καθοδηγητική φράση: Όλες οι δραστηριότητες που εκτελούμε και όλα τα συναισθήματα που νιώθουμε εξαρτώνται από τη μετάδοση του νευρικού σήματος μεταξύ των νευρώνων. Πώς μπορεί η οργανική ύλη να συλλέγει, να αναλύει και να μεταδίδει πληροφορίες με πολύ υψηλή ακρίβεια και ταχύτητα; Η ευημερία μας βασίζεται στη σωστή λειτουργία κάθε στοιχείου του νευρωνικού δικτύου. Ποιες τεχνολογίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παρέμβουμε αν κάτι δεν πηγαίνει σωστά;

Βασικό Επίπεδο

• Νευρώνες
• Η γένεση του νευρικού ερεθίσματος
• Το φυσικό μοντέλο διάδοσης του σήματος σε έναν νευρώνα

Νευρώνες

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος περιέχει περίπου 100 δισεκατομμύρια κύτταρα, τους νευρώνες, που είναι εξειδικευμένοι στη μετάδοση νευρικών σημάτων, κυρίως ηλεκτρικής φύσης. Ένας νευρώνας αποτελείται από διάφορα μέρη, με συγκεκριμένες λειτουργίες: το κυτταρικό σώμα (ή σῶμα), που περιέχει τον πυρήνα, δενδρίτες και τον άξονα. Το νευρικό σήμα, που προέρχεται από άλλους νευρώνες ή από τα όργανα υποδοχείς, συλλέγεται και μεταδίδεται στον πυρήνα μέσω των δενδριτών, που είναι βραχείες και διακλαδισμένες προεκτάσεις του πυρήνα. Μέσα στο κυτταρικό σώμα, το σήμα επεξεργάζεται και μεταδίδεται στον άξονα, που είναι μια πολύ μακριά προέκταση με το έργο της μεταφοράς του ηλεκτρικού σήματος σε άλλα κύτταρα. Τον διαχωρισμό του εσωτερικού του νευρώνα από το εξωτερικό διάμεσο υγρό επιτυγχάνει η κυτταροπλασματική μεμβράνη. Οι άξονες μερικές φορές περιβάλλονται στο μεγαλύτερο μέρος του μήκους τους από ένα παχύ μονωτικό υλικό, το έλυτρο της μυελίνης. Στο τελικό του τμήμα, ο άξονας διακλαδίζεται σε μεταβλητό αριθμό απολήξεων, τα συνάπτικά κομβία, όπου το ηλεκτρικό σήμα μετατρέπεται σε χημικό σήμα, μέσω ενός νευροδιαβιβαστή.

^{Πηγή     εικόνας:    Online Medicine}

Οι νευρώνες έχουν μια διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού της κυτταροπλασματικής μεμβράνης, κυρίως λόγω της διαφορετικής συγκέντρωσης ιόντων νατρίου Na+ και καλίου K+ στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Όταν ο νευρώνας βρίσκεται σε ηρεμία, δηλαδή δεν μεταδίδει σήματα, αυτή η διαφορά δυναμικού, που ονομάζεται δυναμικό ηρεμίας, έχει τιμές μεταξύ -60 mV και -80 mV. Η κυτταροπλασματική μεμβράνη διαθέτει διαύλους και αντλίες ιόντων που ανοίγουν και κλείνουν σε απόκριση σε ορισμένα ερεθίσματα, ρυθμίζοντας τη διέλευση των ιόντων και κατά συνέπεια αλλάζοντας το ηλεκτρικό δυναμικό.

 
Το εσωτερικό του κυττάρου είναι πλούσιο σε ιόντα K+ και αρνητικά ιόντα δεσμευμένα σε οργανικά μακρομόρια, ενώ το εξωτερικό του κυττάρου είναι πλούσιο σε ιόντα Na+ και Cl-. Η συγκέντρωση των ιόντων Na+ και K+ ρυθμίζεται από τρεις πρωτεΐνες της μεμβράνης που ονομάζονται δίαυλοι ή αντλίες ιόντων:

• δίαυλοι νατρίου·
• δίαυλοι καλίου·
• η αντλία νατρίου-καλίου.

Η μεμβράνη του νευρώνα έχει πολλούς διαύλους καλίου: αυτοί οι δίαυλοι ωθούν τα ιόντα K+ από το εσωτερικό της μεμβράνης προς τα έξω, αν και με αυτόν τον τρόπο αυξάνουν την αρνητικότητα στο εσωτερικό του κυττάρου. Από την άλλη, τα αρνητικά ιόντα στο εσωτερικό του κυττάρου δεν μπορούν να διαχυθούν προς τα έξω επειδή είναι πολύ μεγάλα για να διαπεράσουν τη μεμβράνη. 

Οι δίαυλοι νατρίου είναι λίγοι και τείνουν να διαχέουν τα ιόντα νατρίου προς τα μέσα.
Η αντλία νατρίου-καλίου δρα ενάντια στη φυσική κατεύθυνση ροής των ιόντων, ωθώντας τα Na+ προς τα έξω και τα K+ προς τα μέσα του κυττάρου. Όταν ο νευρώνας είναι σε ηρεμία, η μεμβράνη είναι πρακτικά αδιαπέραστη στην είσοδο των ιόντων Na+.

Ας το σκεφτούμε μαζί: Οι νευρώνες είναι τα αρχαιότερα κύτταρα του σώματος: είναι ανίκανοι να αυτοδιπλασιαστούν και σε περίπτωση βλαβών που οδηγούν στο θάνατό τους, τα γειτονικά τους δεν μπορούν να τους αντικαταστήσουν. Με το πέρασμα των χρόνων, η λειτουργικότητα του Νευρικού Συστήματος γίνεται λιγότερο αποτελεσματική: η έρευνα ενδιαφέρεται λοιπόν να βρει νέες μεθόδους για να ενισχύσει την ικανότητα του εγκεφάλου να παράγει νέους νευρώνες (νευρογένεση) για τη βελτίωση της μάθησης και της μνήμης. Τι μπορείς να κάνεις για να διατηρήσεις τους νευρώνες σου υγιείς; Πώς μπορείς να κρατήσεις το μυαλό σου σε εγρήγορση;

Η γένεση του νευρικού ερεθίσματος

Όλα τα σήματα από το εξωτερικό περιβάλλον λαμβάνονται από τους δενδρίτες και μεταφέρονται στον πυρήνα. Εάν ένα ερέθισμα φτάσει στον πυρήνα ενός νευρώνα που μπορεί να μεταβάλει το δυναμικό ηρεμίας μέχρι μια οριακή τιμή (περίπου -50 mV), δημιουργείται ένα δυναμικό ενέργειας ή νευρική ώση που διαδίδεται κατά μήκος του νευράξονα.

Η γένεση του δυναμικού ενέργειας συνδέεται με την ανταλλαγή ιόντων μέσω ορισμένων τασεοεξαρτώμενων διαύλων νατρίου Na+ και καλίου K+. Οι δίαυλοι νατρίου ανοίγουν πρώτοι, όταν το δυναμικό φτάσει στην οριακή τιμή, ωθώντας ιόντα μέσα στο κύτταρο που είναι αρνητικό και αποπολωτώντας γρήγορα τη μεμβράνη. Η ροή των ιόντων νατρίου μέσα στη μεμβράνη προκαλεί αντιστροφή της πολικότητας: μέσα στη μεμβράνη υπάρχει πλέον περίσσεια θετικού φορτίου, ενώ έξω έλλειψη θετικού φορτίου. Με αυτόν τον τρόπο, η μεμβράνη αποπολώνεται, μέχρι να φτάσει σε δυναμικό +50mV, τη μέγιστη τιμή του δυναμικού ενέργειας.

Η κατάσταση αποπόλωσης, ωστόσο, διαρκεί από 1 έως 2 χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Μετά από αυτό, με την πάροδο του χρόνου, οι τασεοεξαρτώμενοι δίαυλοι νατρίου κλείνουν και οι τασεοεξαρτώμενοι δίαυλοι καλίου ανοίγουν. Οι τελευταίοι ανοίγουν πιο αργά και παραμένουν ανοιχτοί περισσότερο: τα ιόντα K+ ρέουν προς το εξωτερικό της μεμβράνης που αρχίζει να επαναπολώνεται, επαναφέροντας το δυναμικό σε αρνητική τιμή. Η ροή των K+ συνεχίζεται δημιουργώντας φάση υπερπόλωσης και το δυναμικό γίνεται πιο αρνητικό από το δυναμικό ηρεμίας. Τέλος, όλοι οι τασεοεξαρτώμενοι δίαυλοι κλείνουν και η δραστηριότητα της αντλίας νατρίου-καλίου επανεκκινεί, αποκαθιστώντας το δυναμικό ηρεμίας της πλασματικής μεμβράνης. Το εύρος (περίπου +50 mV) και η διάρκεια (περίπου 2 χιλιοστά του δευτερολέπτου) του δυναμικού ενέργειας είναι σταθερά, δηλαδή δεν εξαρτώνται από το μέγεθος της διέγερσης.

Το ηλεκτρικό σήμα που διαδίδεται μέσω του νευρώνα και στη συνέχεια μεταδίδεται σε επόμενους νευρώνες εκτελεί την ακόλουθη ακολουθία εξαιρετικά γρήγορων γεγονότων:

• το ηλεκτρικό ερέθισμα που επεξεργάζεται ο πυρήνας προκαλεί το άνοιγμα τασεοεξαρτώμενων διαύλων νατρίου σε ένα τμήμα κοντά στον πυρήνα· όταν επιτευχθεί η οριακή τιμή, παράγεται το πρώτο δυναμικό ενέργειας.
• η αποπόλωση διαδίδεται κατά μήκος του νευράξονα προκαλώντας το άνοιγμα τασεοεξαρτώμενων διαύλων νατρίου που βρίσκονται σε γειτονικές περιοχές της μεμβράνης· συνεπώς, παράγεται ένα δεύτερο δυναμικό ενέργειας, το οποίο με τη σειρά του θα παράγει ένα τρίτο κ.ο.κ.
• Ταυτόχρονα, στην περιοχή που είχε αποπολωθεί πρώτη, άνοιξαν τασεοεξαρτώμενοι δίαυλοι καλίου, επαναφέροντας τη μεμβράνη στο δυναμικό ηρεμίας.
• Τα δυναμικά διαδίδονται μόνο προς μία κατεύθυνση επειδή, μετά το κλείσιμο, οι τασεοεξαρτώμενοι δίαυλοι νατρίου υφίστανται περίοδο ανθεκτικότητας κατά την οποία δεν μπορούν να ανοίξουν ξανά.

Διάδοση του δυναμικού ενέργειας κατά μήκος ενός μη μυελινοποιημένου νευράξονα: βίντεο στο: Propagation of action potential in an unmyelinated axon - Animated medical physiology - YouTube

Οι νευρικές ίνες που περιβάλλονται από έλυτρο μυελίνης είναι πιο αδιάβροχες, καθώς το έλυτρο λειτουργεί ως ηλεκτρικός μονωτής: συνεπώς, η αποπόλωση και η διάδοση του δυναμικού ενέργειας συμβαίνει μόνο στα τμήματα όπου το έλυτρο απουσιάζει, τα οποία ονομάζονται κόμβοι του Ranvier. Το νευρικό σήμα "πηδά" από τον ένα κόμβο στον επόμενο με μεγαλύτερη ταχύτητα από ό,τι στις μη μυελινοποιημένες ίνες.

Ας το σκεφτούμε μαζί: Η μετάδοση του ηλεκτρικού σήματος πρώτα σε έναν νευρώνα και στη συνέχεια σε άλλους νευρώνες είναι γρήγορη και ακριβής. Η ταχύτητα μετάδοσης και η ακρίβεια της πληροφορίας είναι καθοριστικοί παράγοντες για τη σωστή εκτέλεση όλων των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Όταν κάτι σε αυτόν τον υπέροχο μηχανισμό μπλοκάρει ή σταματά, προκαλώντας μια νευρολογική ασθένεια, ο αντίκτυπος στην ποιότητα ζωής των ατόμων που επηρεάζονται είναι καταστροφικός. Η έρευνα για τις αρχές λειτουργίας της μετάδοσης του νευρικού σήματος αποτελεί τη βάση των πιο προηγμένων νευροτεχνολογιών, που αξιοποιούν την ηλεκτρική διέγερση ως θεραπεία. Έχετε ακούσει ποτέ για ηλεκτρόδια που τοποθετούνται σε παραπληγικούς ασθενείς οι οποίοι περπάτησαν ξανά;