Как передаются нервные сигналы

При потенциале действия напряжение внутри нейрона меняется от -70 мВ до +30 мВ и обратно примерно за 2 миллисекунды.

Крошечная батарейка на мембране

Каждый нейрон поддерживает небольшую разность электрических потенциалов между сторонами своей мембраны. Её измеряют внутри клетки относительно наружной среды, в милливольтах (мВ). В покое внутри около -70 мВ. Это обеспечивают два условия. Концентрация ионов натрия (Na+) снаружи клетки примерно в десять раз выше, чем внутри, а концентрация ионов калия (K+) выше внутри. Натрий-калиевый насос поддерживает эту разницу, выводя Na+ и вводя K+. Поскольку он работает против градиентов концентрации, ему нужна энергия АТФ. Мембрана в покое похожа на заряженную батарейку, которая ждёт включения.

Порог и принцип «всё или ничего»

Раздражитель, например нейромедиатор от другой клетки или давление на осязательный рецептор, пропускает внутрь немного Na+, и заряд внутри становится менее отрицательным. Это деполяризация. Если она слаба, то просто затухает. Если потенциал достигает примерно -55 мВ, то есть порога, открывается множество потенциалзависимых натриевых каналов, Na+ устремляется внутрь и потенциал внутри поднимается примерно до +30 мВ. Затем открываются потенциалзависимые калиевые каналы, K+ выходит наружу и мембранный потенциал снова снижается. На мгновение он опускается ниже -70 мВ: происходит краткая гиперполяризация, после которой восстанавливается состояние покоя. Весь потенциал действия длится около 2 миллисекунд, а переход от -70 до +30 означает изменение на 100 мВ, или 0.1 вольта.

Из-за порога потенциал действия подчиняется принципу «всё или ничего». Слабый раздражитель, который не доводит потенциал до -55 мВ, вообще не вызывает потенциала действия. Сильный раздражитель не увеличивает его амплитуду, поскольку каждый потенциал действия достигает одного и того же напряжения. Более сильный раздражитель вызывает потенциалы действия чаще. Поэтому нервная система кодирует интенсивность частотой импульсов нейрона, а не высотой каждого пика. В течение абсолютного рефрактерного периода тот же участок мембраны не может запустить новый потенциал действия. Этот рефрактерный период также обеспечивает движение сигнала в одном направлении, к окончаниям аксона.

Непрерывное и скачкообразное проведение по аксону

В аксоне без миелина деполяризация немного распространяется, открывает следующие натриевые каналы, распространяется дальше и так далее. Такое непрерывное проведение медленное. В миелинизированном аксоне потенциалзависимые натриевые каналы есть только в перехватах Ранвье. Под миелином заряд распространяется быстро, а потенциал действия возникает заново в каждом перехвате, словно перескакивая от одного к другому. Это сальтаторное проведение, от латинского saltare, «прыгать». Более толстые аксоны тоже проводят быстрее. Тонкие немиелинизированные волокна проводят сигналы со скоростью примерно от 0.5 до 2 метров в секунду; самые толстые миелинизированные волокна достигают примерно 120 метров в секунду.

Через промежуток: синапс

На конце аксона электрический сигнал должен перейти к другой клетке. Некоторые синапсы электрические: две клетки соединены так, что ионы переходят напрямую. Большинство синапсов химические. Когда потенциал действия достигает синаптического окончания, открываются потенциалзависимые кальциевые каналы и Ca2+ входит внутрь. Кальций помогает пузырькам, крошечным мешочкам с нейромедиатором, слиться с мембраной и выпустить содержимое в синаптическую щель, узкий промежуток между клетками. Нейромедиатор диффундирует через щель и связывается с рецепторами принимающей клетки. Каждый рецептор подходит к определённому нейромедиатору, как замок к ключу.

Связывание меняет напряжение на мембране принимающей клетки. Возбуждающий постсинаптический потенциал приближает его к порогу, а тормозный отдаляет. Одного входящего сигнала редко бывает достаточно. Сигналы от множества синапсов или несколько быстрых последовательных сигналов от одного синапса суммируются в триггерной зоне. Следующий нейрон возбуждается, только если сумма достигает порога. Наконец, нейромедиатор удаляется, чтобы сигнал прекратился: ацетилхолин расщепляется ферментом ацетилхолинэстеразой, а аминокислоты, например глутамат, переносятся обратно в нейроны или глиальные клетки и используются снова. По данным NINDS, ацетилхолин вызывает сокращение мышц, глутамат является одним из основных возбуждающих нейромедиаторов, а ГАМК оказывает тормозное действие.

Это учебный материал о строении и работе тела. Это не медицинская консультация, и он не предназначен для диагностики или лечения.