پتانسیل عمل نورون: ایجاد پیام مغزی

 

 

 

ترجمه: رکسانا جعفری

 

 

 

 

 

بدن شما عصب‌هایی دارد که مغزتان را به بقیۀ اعضای بدن و عضلاتتان متصل می‌کند؛ درست مانند سیم تلفن که خانه‌های سراسر دنیا را به هم متصل می‌کند. وقتی می‌خواهید دستتان را حرکت دهید، مغز شما از طریق اعصاب، پیام‌هایی را به عضلات دستتان می‌فرستد و به آن‌ها فرمان می‌دهد که منقبض شوند. اما شیوۀ کار این‌گونه نیست که اعصاب شما بگویند: «دست، حرکت کن!»؛ بلکه آن‌ها با فرستادن پیام‌های الکتریکی زیادی (به نام پتانسیل عمل) به عضلاتِ مختلفِ دستتان، به شما این امکان را می‌دهند که دست خود را با دقت فراوان حرکت دهید.

نورون‌ها نوع خاصی از سلول‌ها و تنها وسیلۀ انتقالِ اطلاعات به اطرافِ بدن هستند. سلول‌های عصبی از این نظر که بدنۀ سلولی‌شان شامل هسته و اندامک است، به سلول‌های دیگر شباهت دارند؛ اما آن‌ها حاویِ اجزایِ بیشتری نیز هستند که به آن‌ها امکان می‌دهد در انتقالِ پتانسیل عمل فوق‌العاده باشند:

• دندریت‌ها: پیام‌ها را از سلول‌های عصبی همسایه دریافت می‌کنند (مانند آنتن رادیویی)؛
• آکسون‌ها: پیام‌ها را در مسیرهای طولانی منتقل می‌کنند (مانند سیم‌های تلفن)؛
• پایانه‌های آکسون: پیام‌ها را به سایر دندریت‌های عصبی یا بافت‌ها منتقل می‌کنند (مانند فرستندۀ رادیویی)؛
• غلاف میلین: سرعت انتقال پیام را در امتداد آکسون افزایش می‌دهد.

شیبِ‌غلظت

شیب‌غلظت عاملِ اصلیِ کارکردِ پتانسیل عمل است. شیب‌غلظت، از نظر پتانسیل عمل، تفاوتِ غلظتِ یون بین داخل نورون و خارج نورون است، که مایع خارج سلولی نامیده می‌شود.

اگر در خارج از سلول، نسبت به داخل سلول، یون‌های دارای بار مثبت غلظت بالاتری داشته باشند، شیبِ‌غلظتِ بالایی وجود خواهد داشت. هم‌چنین، اگر یك نوع یون باردار در داخل سلول به نسبت بیشتری نسبت به خارج سلول وجود داشته باشد، همین امر صدق می‌کند. در واقع، بارِ یون مهم نیست و یون‌های مثبت و منفی در جهتی حرکت می‌کنند که شیب متعادل یا مساوی شود.

پتانسیل آرامش غشا

نورون‌ها، بیشتر اوقات، شیبِ غلظتِ منفی دارند؛ به این معنی که یون‌های دارای بار مثبت در خارج از سلول بیشتر از داخل سلول هستند. این حالتِ منظم از شیب‌غلظتِ منفی «پتانسیل آرامش غشا» نامیده می‌شود.

در طول پتانسیل آرامش غشا،

• تعداد یون‌های سدیم (⁺Na) در بیرون سلول بیشتر از داخل نورون است.
• تعداد یون‌های پتاسیم(⁺K) در داخل سلول بیشتر از بیرون نورون است.

غلظت یون‌ها ثابت نیست. یون‌ها، درحالی‌که سعی می‌کنند غلظت‌های خود را برابر کنند، بی‌وقفه، در حال حرکت برای ورود به نورون‌ها‌ و خروج از آن‌ها هستند؛ اما سلول یک شیب‌غلظت منفیِ نسبتاً ثابتی را حفظ می‌کند (بین 40- تا 90- میلی ولت). حال این امر چه‌طور ممکن است؟

• غشایِ سلولِ نورون نسبت به یون‌های پتاسیم بسیار نفوذپذیر است؛ بنابراین مقدار زیادی پتاسیم از طریق کانال‌های نشتیِ پتاسیم (سوراخ‌های دیوارۀ سلول) از سلول عصبی خارج می‌شود.
• غشای سلول نورون تا حدی درمقابلِ یون‌های سدیم نفوذپذیر است؛ بنابراین اتم‌های سدیم از طریق کانال‌های نشتی سدیم به آرامی به درون سلول عصبی نشت می‌کنند.
• سلول می‌خواهد پتانسیل آرامشِ منفیِ غشا را حفظ کند؛ بنابراین پمپی دارد (پمپ سدیم-پتاسیم) که پتاسیم را دوباره به داخل سلول و هم‌زمان سدیم را از سلول به بیرون پمپ می‌کند.

پتانسیل عمل چگونه کار می‌کند؟

پتانسیل عمل (تکانه‌های الکتریکی‌ که پیام‌هایی را به اطراف بدن شما می‌فرستند) چیزی بیش از یک تغییر موقتی (از منفی به مثبت) در پتانسیل غشای نورون است، که از جریان ناگهانی یون‌ها در داخل و خارج از نورون ایجاد می‌گردد. در حالت آرامش (قبل از وقوعِ پتانسیل عمل)، همۀ کانال‌هایِ دریچه‌دارِ سدیم و پتاسیم بسته هستند. این کانال‌های دریچه‌دار با کانال‌های نشتی، تفاوت دارند و فقط پس از ایجاد پتانسیل عمل باز می‌شوند. به این کانال‌ها «وابسته به ولتاژ» می‌گوییم؛ زیرا باز و بسته بودنشان به اختلاف ولتاژ در غشای سلول بستگی دارد. کانال‌های سدیمیِ وابسته به ولتاژ دو دریچه (دریچۀ m و دریچۀ h) دارند؛ درحالی‌که کانال‌‌های پتاسیمی فقط یک دریچه (دریچۀ n) دارند.

• دریچۀ m (دریچۀ فعال‌سازی) معمولاً بسته است و با شروع مثبت‌شدن سلول باز می‌شود.
• دریچۀ h (دریچۀ غیرفعال‌سازی) معمولاً باز است و هنگامی بسته می‌شود که سلول‌ها بیش از حد مثبت می‌شوند.
• دریچۀ n معمولاً بسته است، اما هنگامی که سلول دپولاریزه (بسیار مثبت) می‌شود، به آرامی باز می‌شود.

کانال‌های سدیمیِ وابسته به ولتاژ در یکی از این سه حالت قرار دارند:

1- غیرفعال (بسته): در حالت آرامش، کانال‌ها غیرفعال می‌شوند. دریچۀ m بسته است و به یون‌های سدیم اجازه عبور نمی‌دهد.

2- فعال (باز): وقتی جریانی عبور می‌کند و اختلاف ولتاژ را در غشا تغییر می‌دهد، کانال فعال می‌شود و دریچۀ m باز می‌شود و سدیم وارد سلول می‌شود.

3- غیرفعال (بسته): با دپولاریزاسیونِ (مثبت‌شدن فضای درونِ) نورون، دریچۀ h بسته می‌شود و مانع از ورود یون‌های سدیم به سلول می‌شود.

کانال‌های پتاسیمیِ وابسته به ولتاژ باز یا بسته هستند.

در طی یک پتانسیل عمل، سه رویداد اصلی رخ می‌دهد:

1- یک رویداد محرک، که بدنۀ سلولی را نامتعادل می‌کند. این تحریک از طریق سلول‌های دیگر (که در تماس با نورون هستند) انجام می‌گیرد و باعث جریان یون‌هایی با بار مثبت در بدنۀ سلولی می‌شود. یون‌های مثبت برای برهم‌زدن پتانسیلِ آرامشِ غشا به درون سلول سرازیر می‌شوند. این یون‌ها از کانال‌هایی عبور می‌کنند که مادۀ شیمیایی خاصی به نام «ناقل عصبی» آن‌ها را باز می‌کند. ناقل‌های عصبی را سلول‌های نزدیک به دندریت‌ها ترشح می‌کنند، که خودِ این فرایندِ ترشحِ ناقل‌های عصبی نتیجۀ نهاییِ پتانسیل عمل است. یون‌های ورودی پتانسیلِ غشا را به صفر نزدیک می‌کنند، که با عنوان دپولاریزاسیون شناخته می‌شود. وقتی یون‌های مثبت به سلول منفی سرازیر می‌شوند، اختلاف غلظت یون‌ها و در نتیجه قطبیت سلول کاهش می‌یابد. اگر بدنۀ سلول به اندازه کافی مثبت شود -که بتواند کانال‌های سدیمیِ وابسته به ولتاژ را در آکسون تحریک کند- آنگاه پتانسیل عمل ارسال می‌شود.

2- دپولاریزاسیون (Depolarization)، که باعث قطبی‌شدن سلول می‌شود (با شروع انتقال سریع یون‌ها و با برابرکردن شیبِ غلظتِ دو طرف سلول، پتانسیل غشا کم می‌شود). به لطف بدنۀ سلولی که اخیراً دپولاریزه شده است، کانال‌های سدیمِ وابسته به ولتاژ در بخشی از آکسونِ نزدیک به بدنۀ سلول فعال می‌شوند. این امر اجازه می‌دهد که یون‌های سدیمِ دارای بار مثبت در آکسون با غشا با بار منفی جریان پیدا کنند و آکسون اطراف را دپولاریزه کنند. ما می‌توانیم به بازشدن کانال‌ها مانند دومینو نگاه کنیم: به‌محض بازشدن یک کانال و ورود یون‌های مثبت، زمینه برای بازشدن کانال‌های بعدی آکسون فراهم می‌شود تا همان کار را انجام دهند. گرچه این مرحله به‌عنوان دپولاریزاسیون شناخته می‌شود، اما نورون، در واقع، تعادل گذشته را تغییر می‌دهد و با عبور پتانسیل عمل، بار آن مثبت می‌شود!

3- رپولاریزاسیون (Repolarization)، که سلول را دوباره به پتانسیل آرامش بر می‌گرداند. دریچه‌های غیرفعال‌کنندۀ کانال‌های سدیمی بسته می‌شوند و جلوی هجوم یون‌های مثبت را به داخل می‌گیرند. هم‌زمان کانال‌های پتاسیمی نیز باز می‌شوند. در داخل سلول، پتاسیم بسیار بیشتری نسبت به خارج سلول وجود دارد؛ بنابراین وقتی این کانال‌ها باز می‌شوند، پتاسیم بیشتری از سلول خارج می‌شود. این به این معنی است که سلول یون‌های مثبت را از دست می‌دهد و دوباره به حالت آرامش خود برمی گردد.

رپولاریزاسیون همواره سلول را منفی‌تر از پتانسیل آرامش غشای معمول خود می‌کند. کانال‌های پتاسیمی، با عبور پتانسیل عمل، کمی بیشتر باز می‌مانند و به بیرون‌آمدن یون‌های مثبت از نورون ادامه می‌دهند. این بدان معنی است که سلول، به‌طورموقت، منفی‌تر از حالت آرامش می‌شود. با بسته‌شدن کانال‌های پتاسیم، پمپ سدیم-پتاسیم برای برقراری مجدد حالت آرامش کار می‌کند.

نکتۀ قابل‌توجه اینجاست که دپولاریزاسیون و رپولاریزاسیون عکس یکدیگرند.

منبع:

https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/organ-systems/neuron-membrane-potentials/a/neuron-action-potentials-the-creation-of-a-brain-signal