Potențialul de acțiune: mesajul neuronilor
Potențialul de acțiune este un fenomen electric sau chimic pe termen scurt care se întâmplă în neuronii creierului nostru. Se poate spune că mesajul va fi transmis altor neuroni.
Este produsă în corpul celulei (nucleul), numit și soma. Se deplasează prin întregul axon (extensia neuronului, similar cu un cablu) până când ajunge la capătul său, numit butonul terminalului.
Potențialele de acțiune într-un axon dat au întotdeauna aceeași durată și intensitate. Dacă ramificația axonului se extinde în alte extensii, potențialul de acțiune este divizat, dar intensitatea sa nu este redusă.
Când potențialul de acțiune ajunge la butoanele terminale ale neuronului, ele secretă substanțe chimice numite neurotransmițători. Aceste substanțe excită sau inhibă neuronul care le primește, fiind capabile să genereze un potențial de acțiune în respectivul neuron.
O mare parte din ceea ce se știe despre potențialul de acțiune al neuronilor provine din experimentele efectuate cu axoni giganți de calmar. Este ușor de studiat din cauza dimensiunii sale, deoarece se extinde de la cap până la coadă. Ele servesc astfel încât animalul să se poată mișca.
Potențialul membranei neuronale
Neuronii au diferite sarcini electrice în interiorul lor decât în afară. Această diferență se numește potențialul membranei .
Atunci când un neuron este în potențial de repaus, înseamnă că sarcina sa electrică nu este modificată de potențialele sinaptice excitatorii sau inhibitoare.
Dimpotrivă, atunci când alte potențiale le influențează, potențialul membranei poate fi redus. Aceasta se numește depolarizare .
Sau, dimpotrivă, când potențialul membranei crește în raport cu potențialul său normal, apare un fenomen numit hiperpolarizare .
Atunci când o inversiune foarte rapidă a potențialului membranei apare brusc, este dat un potențial de acțiune . Aceasta constă dintr-un scurt impuls electric, care este tradus în mesajul care se deplasează prin axonul neuronului. Începe în corpul celulei, ajungând la butoanele terminale.
Este important de observat că pentru ca un potențial de acțiune să apară, modificările electrice trebuie să atingă un prag, numit prag de excitație . Este valoarea potențialului membranei care trebuie să fie atinsă în mod necesar pentru ca potențialul de acțiune să aibă loc.
Potențiale de acțiune și schimbări în nivelurile de ioni
În condiții normale, neuronul este pregătit să primească sodiu (Na +) în interiorul acestuia. Cu toate acestea, membrana sa nu este foarte permeabilă la acest ion.
In plus, are bine cunoscutii transportatori de sodiu-potasiu, o proteina gasita in membrana celulelor care este responsabila pentru indepartarea ionilor de sodiu din ea si introducerea ionilor de potasiu in ea. În special, pentru fiecare 3 ioni de sodiu extras, introduceți două potasiu.
Acești transportatori mențin un nivel scăzut de sodiu în celulă. Dacă permeabilitatea celulei a crescut și o cantitate mai mare de sodiu a intrat brusc, potențialul membranei s-ar schimba radical. Aparent, acest lucru declanșează un potențial de acțiune.
În particular, permeabilitatea membranei la sodiu ar crește, introducându-i în interiorul neuronului. În timp ce, în același timp, acest lucru ar permite ionilor de potasiu să părăsească celula.
Cum apar aceste modificări ale permeabilității?
Celulele au încorporat numeroase proteine numite membrane numite canale ionice . Acestea au deschideri prin care ionii pot intra sau ieși din celule, deși nu sunt întotdeauna deschiși. Canalele sunt închise sau deschise în funcție de anumite evenimente.
Există mai multe tipuri de canale ionice și fiecare dintre ele este de obicei specializată pentru a conduce exclusiv anumite tipuri de ioni.
De exemplu, un canal de sodiu deschis poate trece peste 100 de milioane de ioni pe secundă.
Cum se produc potențialul de acțiune?
Neuronii transmit informații electrochimic. Aceasta înseamnă că substanțele chimice produc semnale electrice.
Aceste substanțe chimice au o încărcătură electrică, motiv pentru care se numesc ioni. Cele mai importante din sistemul nervos sunt sodiul și potasiul, care au o încărcătură pozitivă. În plus față de calciu (2 încărcări pozitive) și clor (o sarcină negativă).
Schimbări în potențialul membranei
Primul pas pentru a avea un potențial de acțiune este o schimbare a potențialului membranei celulei. Această modificare trebuie să depășească pragul de excitare.
În special, există o reducere a potențialului membranei, care se numește depolarizare.
Deschiderea canalelor de sodiu
Ca o consecință, canalele de sodiu înglobate în membrană se deschid, permițând sodiului să intre masiv în interiorul neuronului. Acestea sunt conduse de forțele de difuzie și de presiune electrostatică.
Pe măsură ce ionii de sodiu sunt încărcați pozitiv, ele produc o schimbare rapidă a potențialului membranei.
Deschiderea canalelor de potasiu
Membrana axonului are canale de sodiu și potasiu. Cu toate acestea, acestea din urmă se deschid mai târziu, deoarece sunt mai puțin sensibile. Adică, ei au nevoie de un nivel mai ridicat de depolarizare pentru a se deschide și de aceea se deschid mai târziu.
Închiderea canalelor de sodiu
Vine un moment în care potențialul de acțiune atinge valoarea maximă. După această perioadă, canalele de sodiu sunt blocate și închise.
Ele nu mai pot fi deschise din nou până când membrana nu atinge din nou potențialul de repaus. Ca urmare, nu mai poate intra sodiu în neuron.
Închiderea canalelor de potasiu
Cu toate acestea, canalele de potasiu rămân deschise. Acest lucru permite ionilor de potasiu să curgă prin celulă.
Datorită difuziei și a presiunii electrostatice, deoarece interiorul axonului este încărcat pozitiv, ionii de potasiu sunt împinși din celulă.
Astfel, potențialul membranei își recuperează valoarea obișnuită. Puțin câte puțin, canalele de potasiu se închid.
Această ieșire de cationi determină potențialul membranei de a-și recupera valoarea normală. Când se întâmplă acest lucru, canalele de potasiu încep să se închidă din nou.
În momentul în care potențialul membranei atinge valoarea normală, canalele de potasiu se închid complet. Oarecum mai târziu, canalele de sodiu sunt reactivate, pregătindu-se pentru o altă depolarizare pentru a le deschide.
În cele din urmă, transportatorii de sodiu-potasiu secretă sodiul care intrase și recuperează potasiul care a plecat mai devreme.
Cum se propagă informațiile prin axon?
Axonul este alcătuit dintr-o parte a neuronului, o extensie a acestuia, asemănătoare unui cablu. Acestea pot fi foarte lungi pentru a permite neuronilor care sunt departe de a se conecta și a trimite informații.
Potențialul de acțiune se propagă de-a lungul axonului și ajunge la butoanele terminale pentru a trimite mesaje către celula următoare.
Dacă am măsurat intensitatea potențialului de acțiune din diferite zone ale axonului, am constatat că intensitatea acestuia rămâne aceeași în toate domeniile.
Legea tuturor sau nimic
Acest lucru se întâmplă deoarece conducerea axonală urmează o lege fundamentală: legea tuturor sau nimic. Adică, este dat sau nu un potențial de acțiune. Odată ce începe, se deplasează prin axon până la extrem, menținând întotdeauna aceeași dimensiune, nu crește sau scade. Mai mult decât atât, dacă un axon se preface, potențialul de acțiune este împărțit, dar își menține mărimea.
Potențialul de acțiune începe la sfârșitul axonului atașat la soma neuronului. În mod normal, de obicei călătorește într-o singură direcție.
Potențiali de acțiune și comportament
Este posibil ca, în acest moment, să vă întrebați: dacă potențialul de acțiune este un proces total sau deloc, cum apar anumite comportamente cum ar fi contracția musculară care poate varia între diferite niveluri de intensitate? Acest lucru se întâmplă din cauza legii frecvenței.
Legea frecvenței
Ceea ce se întâmplă este că un singur potențial de acțiune nu oferă informații direct. În schimb, informațiile sunt determinate de frecvența ratei de descărcare sau de ardere a unui axon. Adică, frecvența în care apar potențialul de acțiune. Aceasta se numește "legea frecvenței".
Astfel, o frecvență ridicată a potențialelor de acțiune ar duce la o contracție musculară foarte intensă.
Același lucru se întâmplă și cu percepția. De exemplu, un stimulent vizual foarte luminos, care trebuie capturat, trebuie să producă o "rată de ardere" ridicată în axonii atașați la ochi. În acest fel, frecvența potențialelor de acțiune reflectă intensitatea stimulului fizic.
Prin urmare, legea tuturor sau nimic nu este completat de legea frecvenței.
Alte forme de schimb de informații
Potențialele de acțiune nu sunt singurele tipuri de semnale electrice care apar în neuroni. De exemplu, trimiterea de informații printr-o sinapsă dă un impuls electric mic membranei neuronului care primește datele.
În anumite ocazii, o ușoară depolarizare care este prea slabă pentru a produce un potențial de acțiune poate modifica ușor potențialul membranei.
Cu toate acestea, această modificare este redusă puțin câte puțin în timp ce se deplasează prin axon. În acest tip de transmitere a informațiilor, nici canalele de sodiu, nici potasiul nu sunt deschise sau închise.
Astfel, axonul acționează ca un cablu subacvatic. Pe măsură ce semnalul este transmis de el, amplitudinea lui scade. Aceasta este cunoscută sub denumirea de conducere descrescătoare și apare datorită caracteristicilor axonului.
Potențiale de acțiune și mielină
Axoanele aproape tuturor mamiferelor sunt acoperite cu mielină. Adică, au segmente înconjurate de o substanță care permite conducerea nervului, făcând-o mai rapidă. Myelinul se înfășoară în jurul axonului fără a lăsa lichidul extracelular să ajungă la el.
Myelina este produsă în sistemul nervos central prin celule numite oligodendrocite. În timp ce, în sistemul nervos periferic, este produs de celulele Schwann.
Segmentele de mielină, cunoscute sub numele de teci de mielină, sunt împărțite prin zone neacoperite ale axonului. Aceste zone se numesc noduli Ranvier și sunt în contact cu lichidul extracelular.
Potențialul de acțiune este transmis diferit într-un axon nemyelinat (care nu este acoperit de mielină) decât într-unul mielinizat.
Potențialul de acțiune poate călători prin membrana axonală acoperită cu mielină prin proprietățile cablului. Axonul în acest mod conduce schimbarea electrică de la locul unde apare potențialul de acțiune la următorul nodul Ranvier.
Această schimbare este redusă ușor, dar este destul de intensă pentru a provoca un potențial de acțiune în următorul nod. Apoi, acest potențial este declanșat din nou sau repetat în fiecare nodul de la Ranvier, transportat în zona mielinizată la următorul nodul.
Acest tip de conducere a potențialului de acțiune se numește conducere a sarcinii. Numele ei provine din latina "saltare", ceea ce înseamnă "să dansezi". Conceptul se datorează faptului că impulsul pare să sară de la nodul la nodul.
Avantajele conducerii de sare pentru a transmite potențialul de acțiune
Acest tip de condus are avantajele sale. Mai întâi, pentru a economisi energie. Transportatorii de sodiu și potasiu cheltuiesc multă energie extragând excesul de sodiu din interiorul axonului în timpul potențialelor de acțiune.
Acești transportatori de sodiu-potasiu sunt localizați în zonele axonului care nu sunt acoperite cu mielină. Cu toate acestea, într-un axon mielinat, sodiul poate intra numai în noduli Ranvier. Prin urmare, mai puțin de sodiu intră, și din acest motiv, mai puțin de sodiu trebuie pompat în afara. Deci, transportatorii de sodiu-potasiu trebuie să muncească mai puțin.
Un alt beneficiu al mielinei este cat de repede. Un potențial de acțiune este condus mai repede într-un axon mielinizat, deoarece impulsul "sare" de la un nodul la altul, fără a trebui să treacă prin întregul axon.
Această creștere a vitezei determină animalele să gândească și să reacționeze mai repede. Alte ființe vii, cum ar fi calmarul, au axonii fără mielină care ajung la viteză datorită creșterii dimensiunii lor. Axoanele calmarului au un diametru mare (aproximativ 500 μm), ceea ce le permite să călătorească mai repede (aproximativ 35 de metri pe secundă).
Cu toate acestea, la aceeași viteză, potențialul de acțiune al axonilor pisicilor se deplasează, deși are un diametru de numai 6 μm. Ce se întâmplă este că acești axoni conțin mielină.
Un axon mielinat poate conduce la potențiale de acțiune la o viteză de aproximativ 432 kilometri pe oră, cu un diametru de 20 μm.
