Bài giảng Khoa học đương đại và Phật giáo: Chương 1

Nội dung chính

Nguyễn Hoàng Hải, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2022

Giác quan và tín hiệu thần kinh hoạt động như thế nào?

1. Các nguyên lí quan trọng của Phật giáo. 2. Tứ diệu đế.

Khoa học đương đại và Phật giáo

3. Nguyên lí trung đạo. 4. Nguyên lí duyên khởi.

Chế độ đẳng cấp

❖ Loài người thông minh (sapiens) đặt chân lên

❖ Người Aryan chiếm lĩnh bán đảo Ấn Độ từ 4

Ấn Độ khoảng 70—60 ky BP.

ky BP—1,2 ky BP.

Các nguyên lí quan trọng của Phật giáo

❖ Chế độ đẳng cấp hình thành từ 3,5 ky BP— nay: Brahmin, Kshatriya, Vaishya, Shudra. Ngoài ra còn có Paria (Dalit).

❖ 1893, Risley đưa ra lí thuyết không lai hoá.

❖ 2013, các nghiên cứu cho thấy sự lai hoá xảy ra

từ 4 ky BP—1,9 ky BP.

Ấn độ giáo khi Phật giáo ra đời

Phật giáo và giá trị mới

1. Tồn lại linh hồn, một tự ngã (atman) thường

1. Tứ diệu đế (catvāri āryasatyāni).

hằng, bất biến luân hồi (samsara) trong các thể xác, tách biệt khỏi thể xác.

2. Nguyên lí trung đạo: chính đạo là trung đạo, không thiên về thái cực hưởng lạc

2. Hệ quả của luân hồi là thuyết nhân quả và thuyết tái sinh thông qua nghiệp (karma).

hoặc khổ hạnh. Trung đạo được thể hiện ở bát chính đạo: tuệ, giới, định.

3. Nguyên lí duyên khởi (pratitya samutpada): sự phụ thuộc lẫn nhau của mọi sự vật

3. Con người luôn muốn được giải thoát (moksha) khỏi luân hồi thông qua thực hành chính đạo (dharma).

và hiện tượng. Ba đặc trưng tam pháp ấn: vô thường, khổ đau, vô ngã.

4. Chính đạo có ba cách: hiểu biết tri thức, hành

4. Xoá bỏ đẳng cấp, bất kì sinh vật nào cũng có Phật tính, thực hành trung đạo sẽ đạt

động đúng đắn, tôn kính chư thần.

giải thoát. Trạng thái giải thoát là Niết bàn (Nirvana).

5. Có hàng triệu vị thần nhưng có ba thần quan

trọng nhất: Brahma, Vishnu, Shiva. Ấn độ giáo không thừa nhận có thượng đế toàn năng.

Trung quán tông

❖ Tam bảo: Phật (Buddha), Pháp (Dharma), Tăng (Sanga).

❖ Pháp dựa trên nguyên lí trung đạo và nguyên lí duyên khởi.

Các giác quan

❖ Phật giáo nguyên thuỷ: duyên khởi là tự ngã của từng pháp riêng biệt.

❖ Phật giáo phát triển (Trung quán tông): duyên khởi là sự tương hỗ giữa các pháp nên các pháp không thể tồn tại độc lập, chúng không có tự tính. Đó chính là tính không, thể hiện tính tương đối của sự vật và hiện tượng.

Lục căn

Ý thức

❖ Theo Phật giáo, con người có lục căn: tai, mắt, mũi, lưỡi, thân, ý.

❖ Thế giới bên ngoài tác động lên các giác quan

❖ Aristotle: tai, mắt, mũi, lưỡi, xúc giác.

❖ Khoa học cận đại

❖ Các tín hiệu thần kinh là các tín hiệu điện tạo thành từ sự chênh lệch điện tích (ion) giữa các vùng khác nhau của tế bào thần kinh.

❖ Năm 1830, Charles Bell đề xuất giác quan thứ sáu là tự nhận thức được cơ thể

để tạo thành các tín hiệu thần kinh.

trong không gian.

❖ Tín hiệu thần kinh được lan truyền từ tế bào này sang tế bào khác thông qua các khớp nối thần kinh để đến bộ não.

❖ Thế kỉ 20, Charles Sherrington đề xuất giác quan thứ sáu là hệ cảm giác thân thể

(somatosensory).

❖ Tín hiệu được xử lí ở nhiều vùng não trước

❖ Giác quan và ý thức liên quan đến hoạt động của hệ thần kinh

khoa học thần kinh.

⇒

khi đến vỏ não. Ở đó, ý thức về thế giới được hình thành.

Tứ diệu đế—khổ

Ý thức là gì?

❖ Từ lâu, nghiên cứu về ý thức là chủ đề của các nhà

Đau

triết học. Tuy nhiên giờ đây nó là chủ đề của các nhà khoa học thực nghiệm.

❖ TK17, René Descartes: cơ thể và ý thức tạo thành bởi những thứ hoàn toàn khác nhau. Cơ thể tồn tại trong không gian và thời gian. Ý thức tồn tại trong thời gian.

KHỔ

Sướng

Ý thức

Giác quan

❖ 1995, David Chalmers đưa “Bài toán khó về ý thức” (the hard problem of consciousness): chúng ta nhận thức thế giới như chính bản thân nó (trực tiếp) hay thế giới là một bản copy của bộ não (gián tiếp)?

❖ Tham khảo: G. Miller, What Is the Biological Basis of

Vô minh

Consciousness? Science 309 (5731), 79 (2005). J. Morgan, The hard problem of consciousness: understanding our reality, The Lancet Neurology 17 (5), 403 (2018).

1. Sự tồn tại là khổ. 2. Nguyên nhân của sự khổ. 3. Sự diệt khổ—Niết bàn. 4. Con đường diệt khổ.

Bài toán khó chưa có lời giải

Bốn lực cơ bản

Lực

Hạt tác động

Tầm tác dụng

Cường độ

❖ John Smythies and Robert French, Direct versus Indirect Realism: A Neurophilosophical Debate on Consciousness, Academic Press (2018).

Hấp dẫn

Vô hạn

Yếu

Tất cả các hạt có khối lượng

Lực hạt nhân yếu

Quark, lepton

Ngắn

Các hạt mang điện

Vô hạn

1. Các nhà triết học có xu hướng theo thực tại trực tiếp, các nhà thần kinh thì theo thực tại gián tiếp. 2. Thực tại gián tiếp: phủ nhận sự tồn tại của kiến thức tiên nghiệm vì toàn bộ kiến thức của con người đến từ các giác quan. Giác quan của con người chỉ thu nhận được lực điện từ!

Điện từ

❖ Do đó, việc nghiên cứu triết học, tôn giáo cần có sự hiểu biết của khoa

Lực hạt nhân mạnh

Quark, gluon

Ngắn

Mạnh

3. Thực tại trực tiếp: kinh nghiệm nhận thức không phải là thế giới thực nhưng là một hình ảnh thu nhỏ được sao chép ở bên ngoài.

học thần kinh.

Học thuyết thần kinh

Các giác quan

Giác quan

Kích thích

Cường độ

❖ Dù có năm giác quan nhưng các tế bào thần kinh thu nhận tín hiệu thông qua 4 cách

Vị giác

Hoá chất (lỏng)

Nồng độ

❖ Golgi: các dây thần kinh kết nối với nhau tạo thành các mạch thần kinh. Ông phát minh ra phương pháp nhuộm (stain) tế bào thần kinh nhưng phủ nhận sự tồn tại của tế bào thần kinh. Các cơ quan, các mô đều được tạo thành từ các tế bào.

Khứu giác

Hoá chất (khí)

Nồng độ

❖ Ramón y Cajal: Học thuyết thần kinh (neuron doctrine) cho rằng hệ thần kinh được tạo bởi các tế

Thính giác

Âm thanh

Độ lớn âm

❖ Charles Sherrington: cho rằng giữa các tế bào thần kinh có kết nối với nhau thông qua các khớp nối

Xúc giác

Nhiệt, ứng suất Nhiệt độ, áp suất

Thị giác

Ánh sáng

Độ sáng

1. Chuyển đổi tín hiệu hoá học thành tín hiệu điện: vị giác, khứu giác. 2. Chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện: xúc giác. bào thần kinh độc lập. Giữa chúng có kết nối với nhau để tạo ra các mạch thần kinh. 3. Chuyển đổi tín hiệu ứng suất cơ học thành tín hiệu điện: xúc giác. thần kinh (synapse). 4. Chuyển đổi tín hiệu quang học thành tín hiệu điện: thị giác.

Phân chia theo giải phẫu

Hệ thần kinh ngoại biên

PART ONE FOUNDATIONS

8

Cerebrum

Cerebellum Brain Brain stem

Central nervous system

Spinal cord

! FIGURE 1.7 The basic anatomical subdivisions of the nervous system. The nervous system consists of two divisions, the central nervous system (CNS) and the peripheral nervous system (PNS). The CNS consists of the brain and spinal cord. The three major parts of the brain are the cerebrum, the cerebellum, and the brain stem. The PNS consists of the nerves and nerve cells that lie outside the brain and spinal cord.

❖ Phân chia theo giải phẫu:

❖ Hệ thần kinh ngoại biên được chia thành

1. Hệ thần kinh trung ương: não, tuỷ sống. Central nervous system: brain and spinal cord. 1. Hệ thần kinh thân thể (somatomic nervous system) quản lí hoạt động của các cơ vân, hoạt động có ý muốn.

Peripheral nervous system

Central sulcus

Parietal lobe

Occipital lobe

Frontal lobe

2. Hệ thần kinh tự chủ, còn gọi là hệ thần

PART ONE FOUNDATIONS

26

Sylvian fissure

Temporal lobe

Cerebellum

kinh thực vật (autonomic nervous system) quản lí hoạt động của các cơ quan nội tạng không theo ý muốn. 2. Hệ thần kinh ngoại biên: các tế bào thần kinh cảm giác và tế bào thần kinh vận động. Peripheral nervous system: sensory and motor neurons that connect to the central nervous system.

! FIGURE 1.8 The lobes of the cerebrum. Notice the deep Sylvian fissure, dividing the frontal lobe from the temporal lobe, and the central sulcus, dividing the frontal lobe from the parietal lobe. The occipital lobe lies at the back of the brain. These land- marks can be found on all human brains.

Nineteenth-Century Views of the Brain

Let’s review how the nervous system was understood at the end of the eighteenth century:

• Injury to the brain can disrupt sensations, movement, and thought and

nucleus. Neurons are much more than that, but how much more was not recognized before Italian histologist Camillo Golgi devised a new method (Figure 2.2). In 1873, Golgi discovered that soaking brain tis- sue in a silver chromate solution, now called the Golgi stain , makes a small percentage of neurons become darkly colored in their entirety (Figure 2.3). This revealed that the neuronal cell body, the region of the neuron around the nucleus that is shown with the Nissl stain, is actu- ally only a small fraction of the total structure of the neuron. Notice in Figures 2.1 and 2.3 how different histological stains can provide strik- ingly different views of the same tissue. Today, neurohistology remains an active ﬁ eld in neuroscience, along with its credo: “The gain in brain is mainly in the stain.”

can cause death.

• The brain communicates with the body via the nerves. • The brain has different identiﬁ able parts, which probably perform

different functions.

• The brain operates like a machine and follows the laws of nature.

During the next 100 years, more would be learned about the function of the brain than had been learned in all of previous recorded history. This work provided the solid foundation on which modern neuroscience rests. Now we’ll look at four key insights gained during the nineteenth century.

The Golgi stain shows that neurons have at least two distinguishable parts: a central region that contains the cell nucleus and numerous thin tubes that radiate away from the central region. The swollen region con- taining the cell nucleus has several names that are used interchangeably: cell body , soma (plural: somata), and perikaryon (plural: perikarya). The thin tubes that radiate from the soma are called neurites and are of two types: axons and dendrites (Figure 2.4).

! FIGURE 2.2 Camillo Golgi (1843–1926). (Source: Finger, 1994, Fig. 3.22.)

001-022_Bear_01_revised_final.indd 8 001-022_Bear_01_revised_final.indd 8

12/20/14 2:38 AM 12/20/14 2:38 AM

The cell body usually gives rise to a single axon. The axon is of uni- form diameter throughout its length, and any branches from it generally extend at right angles. Because axons can extend over great distances in the body (a meter or more), histologists of the day immediately recog- nized that axons must act like “wires” that carry the output of the neu- rons. Dendrites, on the other hand, are rarely longer than 2 mm. Many dendrites extend from the cell body and generally taper to a ﬁ ne point.

Tế bào thần kinh

Cấu tạo của neuron

Soma

❖ Tế bào thần kinh gồm hai loại: nơ ron (neuron) và tế bào đệm (glia).

❖ Neuron là quan trọng nhất: thu nhận tín hiệu từ môi trường, trao đổi với nhau, ra lệnh cho cơ thể.

❖ Glia có chức năng như một chất keo dính để làm bộ đệm, đỡ cho các neuron.

1. Thân tế bào (cell body, soma). 2. Sợi trục (axon): dẫn

Neurites

Dendrites Axon

❖ Có khoảng 100 tỉ neuron và 100 ngàn tỉ kết nối trong một cơ thể của người trưởng thành.

❖ Diện tích bề mặt của các tế bào thần kinh là 25000 m2, bằng 4 lần diện tích sân bóng đá.

truyền tín hiệu từ thân tế bào đến các tế bào khác. 3. Sợi nhánh (dendrite): là

phần mở rộng của thân tế bào để tiếp nhận tín hiệu từ tế bào khác.

! FIGURE 2.3 Golgi-stained neurons. (Source: Hubel, 1988, p. 126.)

! FIGURE 2.4 The basic parts of a neuron.

023–054_Bear_02_revised_final.indd 26 023–054_Bear_02_revised_final.indd 26

12/20/14 2:58 AM 12/20/14 2:58 AM

Khớp nối thần kinh

Màng tế bào

❖ Là bề mặt phân chia trong và ngoài tế bào.

❖ Được tạo bởi hai lớp phospholipid.

❖ Khớp nối thần kinh (synapse) là cấu trúc cho phép tín hiệu điện, tín hiệu hoá học từ một neuron này đến một neuron khác, hoặc từ một neuron đến một tế bào nào đó.

❖ Phân tử phospholipid gồm một đầu

❖ Khớp nối gồm hai thành phần: khớp nguồn (pre-synaptic) và khớp đích (post-synaptic).

❖ Dẫn truyền hoá học (chemical synapse) thông

❖ Đầu phân cực ưa nước (hydrophilic) sẽ hướng về các phân tử nước bị phân cực. Đuôi không phân cực kị nước (hydrophobic) sẽ hướng vào nhau và tránh nước.

phosphatidylcholine bị phân cực và có hai đuôi hydrocarbon không phân cực.

❖ Sự ưa và kị nước của phân tử phospholipid tạo

qua chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitter) có thể có tác dụng kích thích hoặc ức chế thông tin.

❖ Dẫn truyền điện hoá (electrical synapse) là dẫn truyền thông qua tín hiệu điện, có tốc độ cao.

ra màng tế bào.

PART ONE FOUNDATIONS

62 ! FIGURE 3.5 The peptide bond and a polypeptide. (a) Peptide bonds attach amino acids to- gether. The bond forms between the carboxyl group of one amino acid and the amino group of another. (b) A polypeptide is a single chain of amino acids.

different polypeptides contributing to a protein with quaternary struc- ture is called a subunit .

Protein trên màng tế bào

Protein

63 CHAPTER 3 THE NEURONAL MEMBRANE AT REST

Channel Proteins. The exposed surface of a protein may be chemi- cally heterogeneous. Regions where nonpolar R groups are exposed are hydrophobic and tend to associate readily with lipid. Regions with exposed polar R groups are hydrophilic and tend to avoid a lipid environment. Therefore, it is not difﬁ cult to imagine classes of rod-shaped proteins with polar groups exposed at either end but with only hydrophobic groups showing on their middle surfaces. This type of protein can be suspended in a phospholipid bilayer, with its hydrophobic portion inside the mem- brane and its hydrophilic ends exposed to the watery environments on either side.

Extracellular fluid

Amino acids

❖ Trong cơ thể có 20 loại axit amin, đó là các viên gạch để tạo ra các protein. Mỗi phân tử có chứa các nhóm amin -NH2, carboxyl -COOH.

❖ Trên màng tế bào còn có các protein, chiếm

Polypeptide subunit

Serine

❖ Các axit amin liên kết với nhau nhờ liên kết peptide giữa

Leucine

50% thể tích của màng.

(a)

(c)

Subunits

Alpha helix

❖ Chuỗi polypeptide tự cuộn với nhau để tạo thành chuỗi xoắn

nhóm amin với nhóm carboxyl để tạo thành chuỗi polypeptide.

(b)

❖ Protein là các đại phân tử được tạo thành từ các axit amin có vai trò là các enzyme xúc tác trong quá trình trao đổi chất, nhân bản ADN, phản ứng với các kích thích, tạo khung cho tế bào, vận chuyển vật chất trong tế bào.

alpha, là cấu trúc bậc 2.

(d)

❖ Các nhóm hydrocarbon tương tác với nhau tạo cấu trúc bậc 3

Cytosol

❖ Có nhiều loại protein trên bề mặt, trong đó có

Phospholipid bilayer

và bậc 4 để hình thành nên protein. một loại đóng vai trò là kênh dẫn ion.

! FIGURE 3.6 Protein structure. (a) Primary structure: the sequence of amino acids in the poly- peptide. (b) Secondary structure: coiling of a polypeptide into an alpha helix. (c) Tertiary structure: three-dimensional folding of a polypeptide. (d) Quaternary structure: different polypeptides bonded together to form a larger protein.

❖ Nhóm hydrocarbon kị nước sẽ nằm ở phần giữa của màng tế

! FIGURE 3.7 A membrane ion channel. Ion channels consist of membrane-spanning proteins that assemble to form a pore. In this example, the channel protein has five poly- peptide subunits. Each subunit has a hydrophobic surface region (shaded) that readily associates with the phospholipid bilayer.

055–080_Bear_03_revised_final.indd 62 055–080_Bear_03_revised_final.indd 62

12/20/14 2:57 AM 12/20/14 2:57 AM

Ion channels are made from just these sorts of membrane-spanning protein molecules. Typically, a functional channel across the membrane requires that four to six similar protein molecules assemble to form a pore between them (Figure 3.7). The subunit composition varies from one type of channel to the next, and this is what determines their differ- ent properties. One important property of most ion channels, speciﬁ ed by the diameter of the pore and the nature of the R groups lining it, is ion selectivity . Potassium channels are selectively permeable to K ! . Likewise, sodium channels are permeable almost exclusively to Na ! , calcium channels to Ca 2 ! , and so on. Another important property of many channels is gating . Channels with this property can be opened and closed—gated—by changes in the local microenvironment of the membrane.

You will learn much more about channels as you work your way through

this book. Understanding ion channels in the neuronal membrane is key

to understanding cellular neurophysiology.

bào, các nhóm ưa nước hướng vào trong và ra ngoài.

Ion Pumps. In addition to those that form channels, other membrane-

spanning proteins come together to form ion pumps . Recall from

Chapter 2 that adenosine triphosphate (ATP) is the energy currency

of cells. Ion pumps are enzymes that use the energy released by the

breakdown of ATP to transport certain ions across the membrane. We

will see that these pumps play a critical role in neuronal signaling

055–080_Bear_03_revised_final.indd 63

12/20/14 2:57 AM

Trao đổi chất qua màng tế bào

❖ Các phân tử nhỏ không phân cực như O2,

CO2 có thể đi qua màng bằng cách khuếch tán.

Dẫn truyền thần kinh

❖ Các ion và các phân tử phân cực thì không thể tự do đi qua màng mà phải thông qua các kênh hoặc một số cơ chế khác.

❖ Một số protein tạo thành kênh ion (ion channel)

có tác dụng như cánh cửa có thể mở hoặc đóng với các điều kiện nhất định.

Bơm Na+/K+

Các loại kênh ion

PART ONE FOUNDATIONS

72

❖ Bơm Na/K mang 3 ion Na ra khỏi tế bào và

Sodium-potassium pumps

Extracellular fluid

mang 2 ion K vào trong tế bào. Quá trình này được gọi là quá trình vận chuyển chủ động.

❖ Kênh ion là các protein có vai trò như một cái cổng trên màng tế bào cho phép các ion đi qua với những điều kiện nhất định.

NaNa+Na+

K+K+

NaNa+Na+

❖ Quá trình này là quá trình mất cân bằng nên cần tiêu tốn năng lượng là một phân tử ATP.

K+K+

❖ Tác nhân mở kênh có thể là:

NaNa+Na+

K+K+

NaNa+Na+

K+K+

1. Ứng suất cơ học.

NaNa+Na+

Membrane

Cytosol

❖ Nhờ bơm Na/K mà bên ngoài tế bào có nhiều Na, ít K, bên trong tế bào có ít Na, nhiều K. Do đó, giữa hai bên của màng tế bào xuất hiện một hiệu điện thế khoảng -65 mV, được gọi là điện thế tĩnh (resting potential).

❖ Có một số kênh luôn luôn mở mà không cần

2. Điện thế. 3. Liên kết hoá học (ligand).

tác nhân nào.

! FIGURE 3.16 The sodium-potassium pump. This ion pump is a membrane-associated protein that transports ions across the membrane against their concentration gradients at the expense of metabolic energy.

❖ Duy trì điện thế tĩnh tiêu tốn khoảng 1/3 năng lượng mà chúng ta thu được trong quá trình trao đổi chất.

are established and maintained. These proteins may lack the glamour of a gated ion channel, but without ion pumps, the resting membrane poten- tial would not exist and the brain would not function.

Relative Ion Permeabilities of the Membrane at Rest

The pumps establish ionic concentration gradients across the neuronal membrane. With knowledge of these ionic concentrations, we can use the Nernst equation to calculate equilibrium potentials for the different ions (see Figure 3.15). Remember, though, that an equilibrium potential for an ion is the membrane potential that would result if a membrane were selectively permeable to that ion alone. In reality, however, neurons

are not permeable to only a single type of ion. How does that affect our

understanding?

Let’s consider a few scenarios involving K ! and Na ! . If the membrane

of a neuron were permeable only to K ! , the membrane potential would

equal E K , which, according to Figure 3.15, is " 80 mV. On the other hand,

if the membrane of a neuron were permeable only to Na ! , the membrane

potential would equal E Na , 62 mV. If the membrane were equally perme-

able to K ! and Na ! , however, the resulting membrane potential would be

some average of E Na and E K . What if the membrane were 40 times more

permeable to K ! than it is to Na ! ? The membrane potential again would

be between E Na and E K but much closer to E K than to E Na . This approxi-

mates the situation in real neurons. The actual resting membrane poten-

tial of " 65 mV approaches, but does not reach, the potassium equilibrium

potential of " 80 mV. This difference arises because, although the mem-

brane at rest is highly permeable to K ! , there is also a steady leak of Na !

into the cell.

The resting membrane potential can be calculated using the Goldman

equation , a mathematical formula that takes into consideration the rel-

ative permeability of the membrane to different ions. If we concern our-

selves only with K ! and Na ! , use the ionic concentrations in Figure 3.15,

and assume that the resting membrane permeability to K ! is fortyfold

greater than it is to Na ! , then the Goldman equation predicts a resting

membrane potential of " 65 mV, the observed value (Box 3.3).

055–080_Bear_03_revised_final.indd 72

12/20/14 2:57 AM

PART ONE FOUNDATIONS

100 ACTION POTENTIAL CONDUCTION

ACTION POOTENTIAL CONDUCCTION

To transfer information from one point to another in the nervous system,

it is necessary that the action potential, once generated, be conducted

down the axon. This process is like the burning of a fuse. Imagine you’re

holding a ﬁ recracker with a burning match held under the end of the fuse.

The fuse ignites when it gets hot enough (beyond some threshold). The

tip of the burning fuse heats up the segment of fuse immediately ahead

of it until it ignites. In this way, the ﬂ ame steadily works its way down

the fuse. Note that the fuse lit at one end only burns in one direction; the

ﬂ ame cannot turn back on itself because the combustible material just

behind it is spent.

Propagation of the action potential along the axon is similar to

the propagation of the ﬂ ame along the fuse. When a patch of axonal

membrane is depolarized sufﬁ ciently to reach threshold, voltage-gated

sodium channels pop open, and the action potential is initiated. The inﬂ ux of positive charge spreads inside the axon to depolarize the adja- cent segment of membrane, and when it reaches threshold, the sodium channels in this patch of membrane also pop open (Figure 4.13). In this way, the action potential works its way down the axon until it reaches the axon terminal, thereby initiating synaptic transmission (the subject of Chapter 5).

Điện thế hoạt động

Dẫn truyền điện thế hoạt động

An action potential initiated at one end of an axon propagates only in one direction; it does not turn back on itself. This is because the mem- brane just behind it is refractory, due to inactivation of the sodium channels. Normally, action potentials conduct only in one direction, from the soma to the axon terminal; this is called orthodromic conduction. But, just like the fuse, an action potential can be generated by depolarization at either end of the axon and can therefore propagate in either direction. Backward propagation, elicited experimentally, is called antidromic con- duction. Note that because the axonal membrane is excitable (capable of generating action potentials) along its entire length, the impulse will

+

❖ Khi bị kích thích, ví dụ dẫm phải một cái đinh, các tế bào thần kinh kích hoạt cơ chế để tạo ra tín hiệu thần kinh nhờ vào điện thế hoạt động (action potential).

Time zero

+

❖ Điện thế hoạt động được dẫn truyền trong

+

1 msec later

+

axon bằng cách lan truyền từ vùng này sang vùng khác. Sự khử phân cực ở vùng này sẽ khởi động mở kênh Na+ ở vùng bên cạnh.

+

❖ Do có sự co giãn cơ học đến một ngưỡng thì khởi động mở kênh Na+. Do nồng độ Na+ ở ngoài cao hơn ở trong nên Na+ sẽ tự khuếch tán vào trong với tốc độ 100.000 ion qua một kênh trong 1 giây. Đó là quá trình khử phân cực (depolarization).

2 msec later

+

PART ONE FOUNDATIONS

104

❖ Nhược điểm: tốc độ dẫn truyền theo cách này không nhanh, khoảng 10 m/s. Ưu điểm: giữ nguyên được tín hiệu.

+

❖ Sau khuếch tán Na+ thì kênh này đóng lại, kênh K+ mở ra để K khuếch tán từ trong ra ngoài tạo ra một điện thế khoảng 100 mV.

3 msec later

Axon

❖ Kênh K+ đóng lại thì màng tế bào dần trở lại trạng

!FIGURE 4.13 Action potential conduction. The entry of positive charge during the action po- tential causes the membrane just ahead to depolarize to threshold.

thái phân cực bình thường.

081–108_Bear_04_revised_final.indd 100 081–108_Bear_04_revised_final.indd 100

12/20/14 7:45 AM 12/20/14 7:45 AM

Node of Ranvier

Myelin sheath

! FIGURE 4.14 The myelin sheath and node of Ranvier. The electrical insulation provided by myelin helps speed action potential conduction from node to node. Voltage-gated sodium channels are concentrated in the axonal membrane at the nodes of Ranvier.

in contrast, is like skipping down the sidewalk. In myelinated axons, action potentials skip from node to node (Figure 4.15). This type of action potential propagation is called saltatory conduction (from the Latin meaning “to leap”).

ACTION POOTENTIALS, AXONSS, AND DENDRITES ACTION POTENTIALS, AXONS, AND DENDRITES

Dẫn truyền điện thế hoạt động

Action potentials of the type discussed in this chapter are a feature mainly of axons. As a rule, the membranes of dendrites and neuro- nal cell bodies do not generate sodium-dependent action potentials

❖ Dẫn truyền điện thế hoạt động trong đoạn axon

Axon

Myelin sheath

Node of Ranvier

có bọc myelin có tốc độ nhanh hơn.

❖ Nguyên tắc dẫn truyền như mạch cảm ứng nên

gần như tức thời.

❖ Nhược điểm: điện thế bị giảm theo khoảng

Khớp nối thần kinh

TIme zero

cách.

❖ Khắc phục: sau mỗi đoạn myelin có độ dài từ

0,2 — 2 mm thì điện thế lại được phục hồi theo cách không có myelin.

❖ Tốc độ dẫn truyền có thể đạt đến 150 m/s.

1 msec later ! FIGURE 4.15 Saltatory conduction. Myelin allows current to spread farther and faster between nodes, thus speeding action potential conduction. Compare this figure with Figure 4.12.

❖ Trong bộ não: chất xám là thân tế bào, chất

trắng là sợi trục có bọc myelin.

081–108_Bear_04_revised_final.indd 104 081–108_Bear_04_revised_final.indd 104

12/20/14 7:45 AM 12/20/14 7:45 AM

PART ONE FOUNDATIONS

116

Mitochondria

Presynaptic

terminal

Active zone

Postsynaptic cell

(a)

Synaptic vesicles

Dense-core vesicles

(b)

Synapse

Giải thoát chất dẫn truyền

113 CHAPTER 5 SYNAPTIC TRANSMISSION

! FIGURE 5.5 Chemical synapses, as seen with the electron microscope. (a) A fast excitatory synapse in the CNS. (b) A synapse in the PNS, with numerous dense-core vesicles. (Source: Part a adapted from Heuser and Reese, 1977, p. 262; part b adapted from Heuser and Reese, 1977, p. 278.)

Cell 1

l l

Action potential

e c f

❖ Là khớp nối giữa tế bào thần kinh, có khả năng truyền tín

Dendrite

Soma

Record Vm of cell 1

Synapse

o m V

– 65

hiệu từ tế bào này đến tế bào khác.

(a)

(b)

(c)

❖ Khớp nối điện hoá: truyền tín hiệu nhanh, thường dùng ở các tế bào thần kinh vận động.

❖ Tại sao lại cần synapse?

Record Vm of cell 2

2 Time (msec)

Dendrite

– 63

• Đảm bảo tín hiệu được truyền theo một chiều.

Gap junction

Axon

l l

e c f

Electrical PSP

– 64

• Cho phép một tế bào này kết nối với một tế bào khác.

o m V

Dendrite

– 65

❖ Khớp nối hoá học: truyền tín hiệu chậm nhưng có thể kích thích hoặc ức chế tín hiệu. Phần lớn các khớp nối trong cơ thể là hoá học.

• Cho phép lấy tổng theo không gian và thời gian để tế

2 Time (msec)

Cell 2

bào quyết định có tiếp tục truyền tín hiệu đó hay không.

(b)

! FIGURE 5.6 Synaptic arrangements in the CNS. (a) An axodendritic synapse. (b) An axoso- matic synapse. (c) An axoaxonic synapse.

• Cho phép loại bỏ các tín hiệu không cần thiết hoặc

❖ Khi điện thế hoạt động đến synapse thì kích hoạt kênh Ca2+ để ion này từ bên ngoài khuếch tán vào trong.

không quan trọng.

(a) ! FIGURE 5.2 Electrical synapses. (a) A gap junction interconnecting the dendrites of two neu- rons constitutes an electrical synapse. (b) An action potential generated in one neuron causes a small amount of ionic current to flow through gap junction chan- nels into a second neuron, inducing an electrical PSP. (Source: Part a from Sloper and Powell, 1978.)

109–142_Bear_05_revised_final.indd 116 109–142_Bear_05_revised_final.indd 116

12/20/14 3:43 AM 12/20/14 3:43 AM

potential in the postsynaptic cell. One neuron usually makes electrical synapses with many other neurons, however, so several PSPs occurring simultaneously may strongly excite a neuron. This is an example of syn- aptic integration, which is discussed later in the chapter.

121 CHAPTER 5 SYNAPTIC TRANSMISSION

TABLE 5.1 The Major Neurotransmitters

Amino Acids

Amines

Peptides

Cholecystokinin (CCK)

Acetylcholine (ACh)

Gamma-aminobutyric

acid (GABA)

Dynorphin

Dopamine (DA)

Glutamate (Glu)

Enkephalins (Enk)

Epinephrine

Glycine (Gly)

N-acetylaspartylglutamate

Histamine

(NAAG)

Norepinephrine (NE)

Neuropeptide Y

Serotonin (5-HT)

Somatostatin

Substance P

Thyrotropin-releasing

hormone

The precise roles of electrical synapses vary from one brain region to another. They are often found where normal function requires that the activity of neighboring neurons be highly synchronized. For example, neu- rons in a brain stem nucleus called the inferior olive can generate both small oscillations of membrane voltage and, more occasionally, action po- tentials. These cells send axons to the cerebellum and are important in motor control. They also make gap junctions with one another. Current that ﬂ ows through gap junctions during membrane oscillations and ac- tion potentials serves to coordinate and synchronize the activity of inferior olivary neurons (Figure 5.3a), and this in turn may help to control the ﬁ ne timing of motor control. Michael Long and Barry Connors, working at Brown University, found that genetic deletion of a critical gap junction protein called connexin36 (Cx36) did not alter the neurons’ ability to gen- erate oscillations and action potentials but did abolish the synchrony of these events because of the loss of functional gap junctions (Figure 5.3b). Gap junctions between neurons and other cells are particularly com- mon early in development. Evidence suggests that during prenatal and postnatal brain development, gap junctions allow neighboring cells to share both electrical and chemical signals that may help coordinate their growth and maturation.

Nguyên lí tích hợp tín hiệu

Chất dẫn truyền thần kinh

Vasoactive intestinal polypeptide (VIP)

Chemical Synapses

COOH

Most synaptic transmission in the mature human nervous system is chemical, so the remainder of this chapter and the next will now focus exclusively on chemical synapses. Before we discuss the different types of

CH2

CH COOH

COOH

NH2

CH 2

109–142_Bear_05_revised_final.indd 113 109–142_Bear_05_revised_final.indd 113

12/20/14 3:43 AM 12/20/14 3:43 AM

(a)

Glu

GABA

Gly

❖ Phần lớn các tế bào thần kinh tiếp nhận hàng ngàn tổ hợp tín hiệu từ các khớp nối để biến thành một loại tín hiệu duy nhất là điện thế hoạt động, hoạt động giống như máy tính: biến các tín hiệu khác nhau thành tín hiệu duy nhất.

CH3 N+

CH3

CH2

CH3

CH2 NH2

CH3

❖ Có khoảng vài chục chất dẫn truyền thần kinh chia làm 3 loại: axit amin, amin (dopamine, serotonin), peptide.

❖ Trong một giây, bộ não thực hiện hàng tỉ tính toán như vậy, được gọi là tích hợp tín hiệu khớp nối (synaptic integration).

(b)

ACh

Carbon

Oxygen

Nitrogen

Hydrogen

Sulfur

Arg Pro Lys Pro Gln Gln

Phe Phe Gly

Leu Met

❖ Có tín hiệu khớp nối là kích thích EPSP, có tín hiệu là ức chế IPSP. Tế bào thần kinh sẽ lấy tổng các tín hiệu nếu đến đầu axon mà vượt ngưỡng -10 mV thì sẽ trở thành điện thế hoạt động.

Substance P

(c) ! FIGURE 5.10 Representative neurotransmitters. (a) The amino acid neurotransmitters gluta- mate, GABA, and glycine. (b) The amine neurotransmitters acetylcholine and nor- epinephrine. (c) The peptide neurotransmitter substance P. (For the abbreviations and chemical structures of amino acids in substance P, see Figure 3.4b.)

109–142_Bear_05_revised_final.indd 121 109–142_Bear_05_revised_final.indd 121

12/20/14 3:43 AM 12/20/14 3:43 AM

Ức chế — phản biện của tế bào

Một số kết luận về neuron

PART ONE FOUNDATIONS

138

Excitatory synapse (active)

Inhibitory synapse (inactive)

Dendrite

Soma

1. Sự đa dạng của thế giới bên ngoài được quy về các tín hiệu điện từ, hoá học, ứng suất, nhiệt độ và các giác quan chuyển thành tín hiệu điện với độ lớn khoảng 100 mV.

Axon hillock

Record Vm

❖ Các khớp nối ức chế thường ở gần đầu axon

EPSP

Vm of soma

Vm of dendrite

(hillock), nơi ra quyết định về tạo điện thế hoạt động hay không.

(a)

2. Tín hiệu điện được lan truyền từ neuron này sang neuron khác thông qua khớp nối thần kinh. Khớp nối có các chất dẫn truyền thần kinh để điều tiết thông tin tạo kích thích hoặc ức chế.

❖ Tế bào thần kinh cũng có tính dân chủ!

Excitatory synapse (active)

Inhibitory synapse (active)

Dendrite

❖ Phản biện phải ở gần nơi ra quyết định.

Soma

3. Tín hiệu điện được lấy tổng theo các tín hiệu đến từ các khớp nối để ra quyết định.

❖ Trong tế bào thần kinh có các mặt đối lập.

Axon hillock

4. Có ba loại quyết định: kích thích, ức chế, không.

Record Vm

EPSP

5. Ý thức của con người là sự tổng hợp tín hiệu từ nhiều luồng thông tin khác nhau.

Vm of dendrite

Vm of soma

(b)

! FIGURE 5.21 Shunting inhibition. A neuron receives one excitatory and one inhibitory input. (a) Stimulation of the excitatory input causes inward postsynaptic current that spreads to the soma, where it can be recorded as an EPSP. (b) When the inhibi- tory and excitatory inputs are stimulated together, the depolarizing current leaks out before it reaches the soma.

The Geometry of Excitatory and Inhibitory Synapses. Inhibitory syn- apses in the brain that use GABA or glycine as a neurotransmitter have a morphology characteristic of Gray’s type II (see Figure 5.8b). This struc- ture contrasts with excitatory synapses that use glutamate, which have a Gray’s type I morphology. This correlation between structure and function has been useful for working out the geometric relationships among excit- atory and inhibitory synapses on individual neurons. In addition to being spread over the dendrites, inhibitory synapses on many neurons are found clustered on the soma and near the axon hillock, where they are in an espe- cially powerful position to inﬂ uence the activity of the postsynaptic neuron.

Modulation

Most of the postsynaptic mechanisms we’ve discussed so far involve trans- mitter receptors that are, themselves, ion channels. To be sure, synapses with transmitter-gated channels carry the bulk of the speciﬁ c information

109–142_Bear_05_revised_final.indd 138 109–142_Bear_05_revised_final.indd 138

12/20/14 3:43 AM 12/20/14 3:43 AM