Sinh lý học tế bào thần kinh

Chia sẻ: Nguyễn Minh Khôi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

197
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mời các bạn cùng tham khảo nội dung tài liệu "Sinh lý học tế bào thần kinh" dưới đây để nắm bắt được những nội dung về cấu tạo của một neuron và chức năng của chúng, trình bày các loại khác nhau của tế bào đệm và chức năng của chúng, tính chất hóa học của myelin, tóm tắt những cách thức khác biệt mà các neuron có myelin hay không có myelin dẫn truyền xung động.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sinh lý học tế bào thần kinh

SINH LÝ HỌC TẾ BÀO THẦN KINH Mục tiêu - Trình bày cấu tạo của một neuron và chức năng của chúng. - Trình bày các loại khác nhau của TB đệm (TB gian TK) và chức năng của chúng. - Mô tả tính chất hóa học của myelin, tóm tắt những cách thức khác biệt mà các neuron có myelin hay không có myelin dẫn truyền xung động. - Định nghĩa sự vận chuyển thuộc trục thuận chiều hay ngược chiều (orthograde and retrogade axonal transport), và các vận động phân tử liên quan đến mỗi hình thức đó. - Mô tả sự thay đổi của các kênh trong điện thế trương điện, điện thế động, và sự tái cực. - Liệt kê các loại sợi thần kinh được tìm thấy ở hệ TK của ĐV có vú. - Mô tả các chức năng của neurotrophins. Các thành phần trong TB TK trung ương Giới thiệu Hình 1: Các bào quan trong neuron Hệ thần kinh trung ương của con người (CNS) chứa khoảng 1011 (100.000.000.000) neuron (TBTK). Các TBTK đệm gấp 10-50 lần số lượng này. CNS là một cơ quan phức tạp; người ta tính toán được rằng trong sự hình thành của nó, có ít nhất 40% các gene của con người tham gia. Các neuron, là các khối xây dựng cơ bản của hệ thần kinh, đã tiến hóa từ các neuron hạch (cơ) nguyên thủy, phản ứng với các kích thích khác nhau bằng cách co lại. Trong các loài động vật phức tạp hơn, sự co lại đã trở thành chức năng chuyên biệt của các tế bào cơ, trong khi điều phối và truyền xung thần kinh đã trở thành các chức năng chuyên biệt của neuron. Chương này
mô tả các thành phần tế bào của CNS và khả năng kích thích của các neuron, liên quan đến nguồn gốc của các tín hiệu điện cho phép neuron điều phối và truyền xung động (điện thế động, điện thế thụ thể, và điện thế xi-náp). Các yếu tố trong TB TK trung ương TB đệm(TB gian TK) Sau rất nhiều năm nghiên cứu, các TBTK đệm (gliacyte) được xem như là mô liên kết thần kinh trung ương. Thật ra, “glia” trong tiếng Hy Lạp là keo. Tuy nhiên, ngày nay các tế bào này đã được công nhận vai trò thông tin liên lạc của chúng trong CNS khi hợp tác với các neuron. Không giống như các neuron, các TBTK đệm tiếp tục trải qua phân chia tế bào ở tuổi trưởng thành và khả năng sinh sản nhanh, đặc biệt đáng chú ý sau khi chấn thương não (ví dụ như một cơn đột quỵ). Có hai loại tế bào thần kinh đệm chính trong hệ thống thần kinh động vật có xương sống: microglia và macroglia. Microglia là những tế bào tiêu hóa tương tự như các đại thực bào, loại bỏ các mảnh vỡ do chấn thương, nhiễm trùng, và bệnh tật (ví dụ như đa xơ cứng, mất trí nhớ liên quan đến AIDS, bệnh Parkinson và bệnh Alzheimer). Microglia phát sinh từ các đại thực bào nằm ở ngoài hệ thần kinh; theo sinh lý học và mô phôi thì không liên quan đến các loại tế bào thần kinh khác. Có ba loại macroglia: tế bào ít nhánh (oligodendrocyte), các tế bào Schwann, và astrocyte. Tế bào ít nhánh và các tế bào Schwann tham gia vào việc hình thành myelin quanh sợi trục thần kinh trung ương và ngoại biên tương ứng. Astrocyte, được tìm thấy trong não, có hai phân nhóm. Astrocyte xơ, chứa nhiều sợi trung gian, được tìm thấy chủ yếu trong chất trắng. Astrocyte nguyên sinh được tìm thấy trong chất xám và có tế bào chất dạng hạt. Cả hai loại này đều có nhánh đến các mạch máu tạo ra các mao mạch để tạo các mối nối chặt chẽ tạo thành vòng tuần hoàn mạch máu não. Chúng cũng có các nhánh đến vỏ synapsesevà bề mặt của neuron. Astrocyte nguyên sinh có một điện thế màng thay đổi theo nồng độ K+ bên ngoài nhưng không tạo ra điện thế lan truyền. Chúng sản xuất các chất cung cấp cho neuron, và giúp duy trì nồng độ thích hợp của các ion, các chất dẫn truyền thần kinh bằng cách tăng K+ và các dẫn truyền thần kinh như glutamate và aminobutyrate (GABA).
Hình 2: Các loại TBTK đệm chủ yếu trong hệ thần kinh. A) Các tế bào ít nhánh nhỏ với số lượng nhánh tương đối ít. Các TB này trong chất trắng cung cấp myelin, và trong chất xám thì nâng đỡ các neuron. B) Các tế bào Schwann cung cấp myelin cho hệ thần kinh ngoại biên. Mỗi tế bào hình thành một phân đoạn của vỏ myelin dài khoảng 1 mm; vỏ đảm đương hình dạng của nó như cái lưỡi bên trong của tế bào Schwann bao xung quanh trục vài lần, gói trong các lớp đồng tâm. Khoảng cách giữa các phân đoạn của myelin là các eo Ranvier. C) Astrocyte là những TBTK đệm phổ biến nhất trong thần kinh trung ương và đặc trưng bởi hình dạng ngôi sao. Chúng liên lạc với cả mao mạch và neuron, được cho là có chức năng dinh dưỡng. Chúng cũng tham gia vào việc hình thành vòng tuần hoàn mạch máu não. Bao myelin
Hình 3: Bao myelin ở hệ thần kinh ngoại biên có chứa tế bào Schawann. Không phải tất cả sợi thần kinh đều được myelin hóa nhưng hầu hết sợi chủ ý đều được myelin hóa. Myelin ở hệ thần kinh trung ương và hệ thần kinh ngoại biên đều có các thành phần cấu tạo là protein và lipid; nhưng myelin hệ thần kinh ngoại biên có nhiều sphingomyelin và các glycoprotein hơn. Có 3 loại protein quan trọng là MBP (myelin basic protein), PLP (proteolipid protein) và MPZ (myelin protein zero). MBP là protein bào tương gắn vào màng tế bào, có cả ở hai hệ thần kinh. PLP là tetraspanin protein chỉ có ở hệ thần kinh trung ương, có vai trò trong sự hình thành neuron và là thành phần cấu tạo myelin. Đột biến gene PLP và yếu tố phiên mã của nó (protein DM20) gây ra bệnh
Pelizaeus-Mebacher di truyền liên kết giới tính X thoái hóa myelin, bệnh nhân nam bị thiếu chất trắng và tế bào ít nhánh. Biểu hiện chính của bệnh là bệnh nhân hay chớp mắt và chậm phát triển vận động thần kinh. Protein chính của myelin ở hệ thần kinh ngoại biên là MPZ, có vai trò giống PLP ở hệ thần kinh trung ương. Vùng ngoại bào của 2 MPZ tương tác với 2 MPZ ở màng phía đối diện. Cấu trúc đồng tetramer tạo sự kết dính chặt chẽ các màng, làm đặc myelin. Vùng nội bào của MPZ có vai trò tạo tín hiệu điều hòa sự tạo myelin. Ở hệ thần kinh trung ương, các PLP màng tế bào tương tác với nhau giúp ổn định cấu trúc. Điều cầu hết sức lưu ý là các protein tạo myelin là kháng nguyên quan trọng ở các bệnh tự miễn như bệnh đa xơ hóa có thoái hóa myelin lan tỏa ở hệ thần kinh trung ương ở hội chứng Guillain- Barré có thoái hóa myelin ở hệ thần kinh ngoại biên. Vai trò của bao myelin: - Nó tạo nên một vùng cách điện để ngăn chặn việc phát các xung thần kinh ngắn giữa các sợi thần kinh. - Nhờ có bao myelin mà sự dẫn truyền xung động thần kinh được nhanh hơn. - Bao myelin giúp tái tạo các sợi thần kinh ngoại biên. Tế bào Schwann giúp duy trì môi trường của sợi trục và các kênh của nó, do vậy cho phép tái liên kết với một thụ thể hay một chất tác hiệu. Sợi thần kinh trung ương không có khả năng này. Synapse Synapse là một khớp nối đặc biệt (specialized junctions), qua đó tín hiệu từ tế bào thần kinh sẽ truyền qua một tế bào thần kinh khác cũng như qua một loại tế bào không phải là tế bào thần kinh (như tế bào cơ hoặc tế bào tuyến). Synapse được phân loại theo vị trí tiếp xúc với neuron hậu synapse: - Synapse trục – gai, nút tiền synapse sợi trục tiếp xúc với gai sợi nhánh. - Synapse trục – nhánh, nút tiền synapse sợi trục tiếp xúc với sợi nhánh. - Synapse trục – thân, nút tiền synapse tiếp xúc với thân neuron. - Synapse trục – trục, nút tiền synapse sợi trục tiếp xúc với synapse sợi trục neuron hậu synapse. Neurotransmitter được tải vào túi synapse (synaptic vesicles) bởi H+- linked antiport proteins Có rất nhiều các phân tử nhỏ hoạt động như là một neurotransmitter tại các synapse khác nhau, ngoại lệ là acetylcholine, một loại neurotransmitter có bản chất là một dẫn xuất của amino acid. Các nucleotide, như ATP chẳng hạn và những nucleoside tương ứng (không gắn gốc phosphate) cũng đóng vai trò là neurotransmitter. Mỗi neuron có khả năng sản xuất chỉ một loại neurotransmitter mà thôi. Tất cả các neurotransmitter cổ điển (classic neurotransmitter) đều được tổng hợp trong tế bào chất và được vận chuyển ra các túi synapse bám màng tại đầu tận của sợi trục và được dự trữ ở
đó. Những túi synapse này có đường kính khoảng 40-50 nm, và có tính acid, được tổng hợp bởi sự hoạt động của nhóm V bơm H+ (V-class proton pump) tại màng tế bào của túi. Ví dụ, acetylcholine được tổng hợp từ acetyl coenzyme A (chất trung gian trong quá trình thoái hóa glucose và acid béo) và choline với sự xúc tác của choline acetyltransferase: Hình4: Phản ứng tạo thành acetylcholine Túi synapse thu giữ acetylcholine từ bào tương thông qua quá trình vận chuyển ngược với radient nồng độ bằng cách sử dụng H+/acetylcholine antiporter tại màng tế bào. Có điều lạ là gene mã hóa cho cái antiporter này có vị trí tại vùng intron đầu tiên của gene mã hóa cho choline acetyltransferase, cách sắp đặt này là nguyên nhân bảo tồn được cơ chế điều hòa tương tác rất chặt chẽ biểu hiện của cả hai protein này. Ngoài ra còn có những protein H+/neurotransmitter antiport khác được sử dụng để đưa các loại neurotransmitter khác vào trong túi synapse. Dòng Ca2+ nhập bào thông qua kênh cổng điện thế Ca2+ (Voltage-gated Ca2+ channels) kích thích tiết neurotransmitter Neurotransmitter được giải phóng qua quá trình xuất bào. Quá trình này có sự hỗ trợ của các tải nội bào chế tiết và các protein xuyên màng. Có 2 điều làm cho sự xuất bào ở synapse khác với những tế bào chế tiết khác: - Sự tiết liên quan chặt chẽ đến hoạt động điện thế màng tại đầu tận của sợi trục. - Túi synapse được tái cấu trúc tại khu vực hoạt động của nó, ngoại trừ acetylcholine. Sự khử cực của màng tế bào không thể tự gây ra sự hòa màng của các túi synapse. Để có sự hòa màng xảy ra, một hoạt động điện nhất thiết phải được biến đổi thành một tín hiệu hóa học – sự gia tăng nồng độ Ca2+ trong tế bào chất. Kênh cổng điện thế Ca2+ sẽ mở ra để dòng Ca2+ nhập bào khi sự khử cực xảy ra. Dòng Ca2+ nhập bào này làm gia tăng nồng độ Ca2+ trong tế bào chất của các túi synapse kế cận từ
protein nối kết với túi synapse và màng tế bào, đưa neurotransmitter xuất bào. Bơm Ca2+ sau đó sẽ nhanh chóng đưa Ca2+ xuất bào thông qua quá trình vận chuyển tiêu tốn ATP, đưa điện thế nội bào về lại trạng thái nghỉ (resting state), giúp cho đầu tận sợi trục sẵn sàng đáp ứng với các kích thích điện thế khác. Có một thí nghiệm đã chứng tỏ được tầm quan trọng của kênh cổng điện thế Ca2+ trong quá trình giải phóng neurotransmitter. Bằng cách khóa kênh này bằng tetrodotoxin (thuốc ức chế kênh cổng điện thế Na+) để ngăn chặn sự thay đổi điện thế hoạt động của tế bào, người ta thấy rằng không có sự chế tiết neurotransmitter. Nếu màng tế bào của sợi trục sau đó được khử cực bằng cách sử dụng 100mM KCl, neurotransmitter lại tiếp tục được giải phóng bởi vì dòng Ca2+ lại vào được tế bào thông qua kênh cổng điện thế Ca2+, tương tự như quá trình khử cực bằng kênh cổng điện thế Na+. Luồng tín hiệu tại synapse thường kết thúc bởi sự thoái giáng hoặc tái hấp thu neurotransmitter Hình 5: Minh họa quá trình tiết neurotransmitter, sự tái tạo synapse vesicle và sự tái hấp thu neurotransmitter.
Sự co cơ và sự mở kênh acetylcholineGated cation Hình 6: Trình tự hoạt hóa sự co cơ. Điện thế nơi tận tại presynapse của neuron vận động làm mở kênh cổng điện thế Ca2+ (b1) và kích thích giải phóng acetylcholine, hoạt hóa sự mở thụ thể acetylcholine tại màng tế bào cơ (b2). Kết quả của quá trình trên là sự nhập bào của Na+, rồi khử điện thế màng gây hiện tượng mở kênh cổng điện thế Na+, Na+ tiếp tục nhập bào gây ra một điện thế hoạt động (b3). Khi sự khử cực truyền tế ống T, nó tạo ra kích thích mở kênh cổng điện thế Ca2+ trên màng tế bào. Ca2+ của sarcoplasmic reticulum sẽ đi vào tế bào chất (b4). Chính Ca2+ này sẽ kích thích quá trình co cơ (có thể tìm hiểu cơ chế cụ thể ở các tài liệu khác). (Theo Guyton’s medical physiology)
Hình 7: Các tiểu đơn vị và polymere của thụ thể neurotransmitter Hoạt động của chất trung gian ở neuron hậu synapse Chức năng của thụ thể Hình 8: Minh họa hoạt động của chất trung gian ở neuron hậu synapse (Theo Guyton’s Medical physiology)
Màng neuron hậu synapse chứa rất nhiều protein thụ thể. Các thụ thể này được cấu tạo bởi 2 thành phần chính: (1) protein bám màng, hướng ra màng đến khe synapse – đây là nơi tiếp nhận chất dẫn truyền thần kinh từ đầu tận của thần kinh tiền synapse, (2) các ion được truyền từ màng vào bên trong của thần kinh hậu synapse bởi các thể mang ion. Các thể mang ion này tồn tại ở 2 dạng (1) kênh ion cho phép 1 số ion chuyên biệt qua màng, (2) chất kích hoạt chất thông tin thứ hai – phân tử này hướng về phía bào tương và kích hoạt một hoặc nhiều chất bên trong neuron hậu synapse chứ không đơn thuần là một kênh ion. Các kênh ion ở màng thần kinh hậu synapse có 2 loại (1) kênh cation (chủ yếu là Na+ đôi khi cũng cho K+ và Ca2+ đi qua), (2) kênh anion(kênh này chủ yếu cho Cl và 1 số ít các anion khác đi qua). Kênh Na+ mang điện tích âm. Chính điện tích âm này giúp kênh vận chuyển đượcion Na+ khi đường kính của kênh lớn hơn đường kính của ion Na+. Anion Cl và các anion khác không qua được kênh này mà đi qua các kênhdành riêng cho chúng (có đường kính đủ lớn). Nguyên nhân chủ yếu làm cho Na+, K+, Ca2+ không qua được các kênh dành cho anion là vì thể hydrate hóa của các ion này có kích thước quá lớn. Các chất dẫn truyền trung gian có nhiệm vụ mở kênh cation được gọi là chất dẫn truyền kích hoạt, ngược lại các chất làm nhiệm vụ mở kênh anion được gọi là chất dẫn truyền ức chế. Các kênh ion được mở ngay lập tức khi các chất dẫn truyền trung gian kích hoạt chúng (chưa đến 1 ms) và khi các chất dẫn truyền trung gian không còn nữa các kênh này sẽ được đóng lại với tốc độ tương tự. Vậy, sự điều khiển của các neuron hậu synapse được nhanh chóng là nhờ sự đóng-mở các kênh ion. Hệ thống chất thông tin thứ 2 ở neuron hậu synapse Một vài chức năng của hệ thần kinh như sự ghi nhớ cần có những thay đổi trong neuron từ vài giây đến hằng tháng kể từ khi chất dẫn truyền thần kinh không còn nữa. Kênh ion đóng trong vòng vài ms sau khi chất dẫn truyền biến mất nên nó không có khả năng gây ra những thay đổi neuron hậu synapse kéo dài. Thay vào đó, các kích thích hoặc hạn chế các thay đổi neuron hậu synapse bằng cách kích thích hệ thống chất thông tin thứ 2 ở trong chính những neuron hậu synapse đó. Và chất thông tin thứ 2 sẽ giúp kéo dài sự thay đổi. Hệ thống chất thông tin thứ 2 có nhiều loại. Loại phổ biến nhất là GProteins. Gprotein bám vào phần thụ thể hướng vào bên trong tế bào. Gprotein gồm 3 phần phần α phần kích hoạt và phần β, phần γ bám vào phần α và bên trong màng tế bào kế cận của protein thụ thể. Khi có kích thích thần kinh, phần α tách khỏi phần β và γ để găn vào bào tương. Trong bào tương, tùy vào từng loại neuron mà phần α thực hiện 1 hay nhiều nhiệm vụ khác nhau. Hình thể hiện 4 thay đổi có thể xảy ra. Đó là các dạng: 1. Mở 1 vài kênh ion thông qua màng tế bào hậu synapse. 2. Kích hoạt cAMP hay cGMP ở trong tế bào thần kinh. cAMP, cGMP có khả năng kích hoạt những hệ thống chuyển hóa chuyên biệt trong neuron nên chúng có thể gây ra sự thay đồi lâu dài trong cấu trúc tế bào, và chúng cũng nhạy cảm với các kích thích của neuron. 3. Sự kích hoạt các enzyme nội bào. Gprotein có thể kích hoạt một hoặc nhiều enzyme nội bào. Các enzyme này sẽ thực hiện một vài chức năng hóa học nhất định trong tế bào.
4. Kích hoạt sự phiên mã. Đây là một trong những tác dụng quan trọng nhất của hệ thống thông tin thứ 2 vì sự phiên mã có thể tạo ra những protein mới trong neuron, các protein này sẽ thay đổi bộ máy chuyển hóa hay cấu trúc của tế bào. Thật vậy , sự thay đổi cấu trúc được gây ra bởi neuron xảy ra ở qui trình ghi nhớ dài hạn. Rõ ràng là sự kích hoạt hệ thống thông tin thứ 2 trong neuron bởi Gprotein hay các loại khác, rất quan trọng trong việc đáp ứng lâu dài ở những con đường dẫn truyền thần kinh khác nhau. Sự kích hoạt hoặc kìm hãm thụ thể trong màng neuron hậu synapse Vài thụ thể hậu synapse khi được kích hoạt có thể kích thích hay ức chế các neuron hậu synapse. Sự kích thích hay ức chế này rất quan trọng trong chức năng của hệ thần kinh. Các thụ thể khác nhau sẽ sử dụng những cơ chế màng và phân tử khác nhâu để kích hoạt và ức chế. Sự kích hoạt 1. Sự mở của kênh Na+ cho phép 1 lượng lớn điện tích dương chảy vào bên trong tế bào hậu synapse. Sự tăng về nồng độ các điện tích dương làm cho điện thế dương nội màng tăng đến mức ngưỡng kích thích để tạo ra kích thích. 2. Giảm lượng ion vận chuyển qua kênh chloride và postassium. Nó làm giảm sự khuếch tán Cl vào bên trong neuron hậu synapse hay giảm sự khuếch tán của K+ ra ngoài. Nó làm cho màng nội bào dương hơn mức bình thường, đó là sự kích thích. 3. Sự thay đổi đa dạng trong chuyển hóa nội bào của neuron hậu synapse kích hoạt hoạt động tế bào. (sự tăng lên các thụ thể màng kích hoạt hay giảm xuống các thụ thể màng ức chế). Sự ức chế 1. Sự mở các kênh Cl trên màng neuron hậu synapse giúp cho Cl khuếch tán nhanh chóng từ ngoài vào bên trong neuron hậu synapse, làm tăng điện tích âm bên trong màng, đó là sự ức chế. 2. Sự thoát K+ khỏi neuron giúp các ion dương được khuếch tán ra ngoài làm tăng điện thế âm bên trong neuron. 3. Sự kích hoạt các enzym thụ thể làm kiềm chế các chức năng chuyển hóa tế bào, tăng thụ thể synapse ức chế hoặc giảm thụ thể synapse kích hoạt. Neuron Neuron ở hệ thần kinh trung ương động vật có vú có nhiều dạng và kích cỡ khác nhau. Phần lớn có các bộ phận tương tự như neuron hướng tâm thuộc tủy sống điển hình. Thân TB (soma) chứa các hạt nhân và là trung tâm trao đổi chất của neuron này. Neuron có một vài nhánh được gọi là sợi nhánh TK, mở rộng ra ngoài thân tế bào. Đặc biệt là ở vỏ não và tủy sống, các sợi nhánh có nhiều nốt phồng nhỏ gọi là đuôi gai. Một neuron điển hình còn có một sợi trục dài bắt nguồn từ một vùng khá dày của thân tế bào, gọi là gò sợi trục. Phần đầu tiên của trục được gọi là đoạn đầu
sợi trục. Sợi trục phân chia thành các đầu tận cùng trước synapse, kết thúc trong một số eosynapse được gọi là eo tận cùng (boutons). Chúng chứa các hạt hoặc các túi trong đó các chất dẫn truyền TK thuộc synapse tiết ra bởi các dây thần kinh được lưu trữ. Căn cứ vào số lượng các nhánh mà thân TB của chúng tỏa ra, các neuron có thể được phân loại là đơn cực, lưỡng cực, và đa cực. Hình 9:Neuron hướng tâm với một sợi trục có myelin. Một neuron hướng tâm bao gồm một thân tế bào (soma) với một hạt nhân, một số nhánh được gọi là đuôi gai và một sợi trục dài bắt nguồn từ gò sợi trục. Phần đầu tiên của trục được gọi là đoạn đầu. Một vỏ myelin được hình thành từ các tế bào Schwann và bao quanh trục trừ đầu tận cùng của nó và tại các eo Ranvier. Eo tận cùng (boutons) nằm ở đầu tận thần kinh.
Hình 10:Một số loại neuron trong hệ thần kinh động vật có vú. A) neuron đơn cực có một nhánh, với các phân đoạn khác nhau làm nhiệm vụ như bề mặt tiếp nhận và giải phóng các đầu tận. B) neuron lưỡng cực có hai nhánh chuyên biệt: một đuôi gai mang thông tin đến các tế bào và một sợi trục truyền thông tin từ tế bào. C) Một số neuron cảm giác ở trong một phân lớp của các tế bào lưỡng cực gọi là TB giả đơn cực. Khi tế bào phát triển, một nhánh duy nhất chia tách thành hai, cả hai đều có chức năng như một sợi trục, đi đến da hoặc cơ và một đến tủy sống. D) tế bào đa cực có một trục và nhiều đuôi gai. Ví dụ như neuron hướng tâm, các tế bào hình chop với các đuôi gai tại đỉnh, và các TB Purkinje thuộc não như một cây tẻ nhánh trong một mặt phẳng. (From Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM [editors]: Principles ofNeural Science, 4th ed. McGrawHill, 2000.) Các thuật ngữ quy ước thường sử dụng để chỉ các bộ phận của một neuron phân biệt khá tốt neuron hướng tâm thuộc cột sống và neuron trung gian, nhưng có vấn đề về "đuôi gai" và "sợi trục" khi nó được áp dụng cho các loại neuron được tìm thấy trong hệ thống thần kinh. Từ quan điểm chức năng, neuron thường có bốn khu vực quan trọng: (1) một thụ thể, hoặc khu đuôi gai, nơi mà nhiều sự thay đổi điện thế được tạo ra bởi các kết nối synapsetic được tích hợp; (2) một vị trí nơi mà điện thế động lan truyền được tạo ra (các đoạn đầu của neuron hướng tâm thuộc cột sống, với eo Ranvier đầu tiên trong neuron cảm giác da); (3) một nhánh thuộc trục truyền xung động đến các đầu tận thần kinh, và (4) các đầu tận thần kinh, nơi điện thế động gây ra việc giải phóng các chất dẫn truyền TK thuộc synapse . Thân TB thường nằm ở cuối đuôi gai của trục, nhưng nó có thể ở trong trục (ví dụ như neuron thính giác) hoặc bám vào các bên của trục (ví dụ, neuron da). Vị trí của nó không tạo ra khác biệt quá xa so với chức năng thụ thể của vùng đuôi gai và chức năng truyền dẫn của sợi trục là có liên quan đến đến vị trí này.
Các sợi trục của neuron có myelin hóa có một vỏ bọc myelin một phức hợp protein, lipid quấn quanh trục (xem hình 2 ở trên). Trong hệ thần kinh ngoại biên, myelin hình thành khi một tế bào Schwann bao quanh màng của nó vòng quanh một trục 100 lần (Xem hình 1 ở trên). Sau đó myelin lấp đầy, chen chúc khi phần ngoại bào của một protein màng gọi là protein không (P0) khóa phần ngoại bào của P0 áp lên màng. Các đột biến ở gen ở P0 gây ra các bệnh TK ngoại biên; 29 đột biến khác nhau đã được mô tả là gây ra các triệu chứng từ nhẹ đến nặng. Vỏ myelin bao bọc sợi trục trừ đầu tận của nó và tại các eo Ranvier, chu kỳ 1 – m sự siết lại khoảng 1 mm (hình 2). Chức năng cách nhiệt của myelin được đề cập sau trong chương này. Không phải tất cả neuron đều có myelin; một số không có myelin, chỉ được bao quanh bởi các tế bào Schwann mà không có sự bao bọc của màng tế bào Schwann sản xuất myelin quanh các trục. Trong hệ thần kinh trung ương của động vật có vú, hầu hết các neuron có myelin, nhưng các tế bào tạo thành myelin là tế bào ít nhánh nhiều hơn là tế bào Schwann (Hình 1). Không giống như các tế bào Schwann hình thành myelin giữa hai eo Ranvier trên một neuron duy nhất, tế bào ít nhánh phát ra nhiều nhánh hình thành myelin trên nhiều sợi trục lân cận. Trong đa xơ cứng, một bệnh tự miễn dịch làm tê liệt, sự tiêu hủy loang lổ myelin xảy ra ở thần kinh trung ương (xem Linical Box 1). Việc mất myelin có liên quan đến sự dẫn truyền chậm trễ hoặc bị chặn trong các sợi trục bị ngăn myelin hóa. Bệnh ngăn myelin hóa Bình thường sự dẫn truyền điện thế động dựa trên những đặc tính cách nhiệt của myelin. Do đó, khuyết tật trong myelin có thể có hậu quả xấu đối với thần kinh. Một ví dụ là đa xơ cứng (MS), một bệnh tự miễn dịch ảnh hưởng đến hơn 3.000.000 người trên thế giới, thường là trong độ tuổi từ 20 và 50; phụ nữ bị ảnh hưởng gấp 2 lần nam giới. Nguyên nhân của MS xuất hiện bao gồm cả yếu tố di truyền và môi trường. Nó phổ biến nhất trong số các người Da trắng sống ở các nước có khí hậu ôn đới, bao gồm châu Âu, miền nam Canada, miền bắc Hoa Kỳ, và đông nam Australia. Môi trường gây ra bao gồm sự tiếp xúc sớm với virus như EpsteinBarr virus và những virus gây ra bệnh sởi, thủy đậu herpes, hoặc cúm. Trong MS, kháng thể và các tế bào máu trắng trong hệ thống miễn dịch tấn công myelin , gây viêm và tổn thương màng bao và cuối cùng là các dây thần kinh mà nó bao quanh. Mất myelin dẫn đến sự rỏ rỉ K+ thông qua các kênh điện áp, quá phân cực, và mất sự dẫn truyền điện thế động. Phạm vi thâm hụt sinh lý điển hình từ sự yếu cơ, mệt mỏi, giảm phối hợp, tốc độ dày, bị nhòe hoặc thị lực mờ, rối loạn chức năng bàng quang, và rối loạn cảm giác. Các triệu chứng thường bị làm trầm trọng hơn bởi nhiệt độ cơ thể tăng hoặc nhiệt độ xung quanh. Tiến triển của bệnh rất hay biến đổi. Trong tình trạng phổ biến nhất, triệu chứng xuất hiện đột ngột một cách ngắn ngủi, ít nhất là một vài tuần hay vài tháng, và sau đó dần dần biến mất. Các triệu chứng tiếp theo có thể xuất hiện trong nhiều năm sau, và cuối cùng sự hồi phục hoàn toàn không xảy ra. Những trường hợp khác có một hình thức tiến triển bệnh mà trong đó không có thời gian thuyên giảm. Chẩn đoán MS rất khó khăn và thường bị trì hoãn cho đến khi nhiều triệu chứng xảy ra. Các bài kiểm tra dẫn truyền thần kinh có thể phát hiện sự dẫn truyền chậm trong con đường vận động và cảm giác. Phân tích chất dịch não tủy sống có thể phát hiện sự hiện diện của các dải đơn dòng biểu hiện của một phản ứng miễn dịch bất thường đối với
myelin. Việc đánh giá dứt khoát nhất là hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) để phân tích thấy nhiều khu vực để lại sẹo (sclerotic) trong não. Mặc dù không có cách chữa cho bệnh MS, nhưng một số thuốc (ví dụ,βinterferon) ngăn chặn. Sự chuyên chở thuộc trục Neuron là những tế bào kích thích bài tiết, nhưng chúng khác các tế bào kích thích bài tiết khác trong vùng kích thích bài tiết thường là ở phần cuối của các trục, xa thân TB. Bộ máy để tổng hợp protein được đặt ở phần quan trọng nhất của thân TB, với việc chuyên chở protein và polypeptide đến đầu trục bởi dòngaxoplasmic. Do đó, thân tế bào duy trì sự toàn vẹn chức năng và giải phẫu của các trục, nếu trục bị cắt, phần ngoại biên đối với phần bị cắt sẽ thoái hóa (wallerian thoái hóa). Chuyên chở thuận chiều xảy ra dọc theo vi sợi chạy dọc theo chiều dài của sợi trục và đòi hỏi hai phân tử vận động, dynein và kinesin (Hình 4). Chuyên chở thuận chiều di chuyển từ thân tế bào đến các cực sợi trục. Nó có cả hai vận tốc nhanh và chậm; vận tốc nhanh nhất xảy ra vào khoảng 400 mm/ngày, và vận tốc chậm nhất xảy ra vào khoảng 0,5 – 10 mm/ngày. Chuyên chở ngược chiều , tức theo hướng ngược lại (từ đầu tận TK đến thân tế bào), xảy ra dọc theo vi sợi vào khoảng 200 mm/ngày. Các túi thuộc synapse tái chế ở màng, nhưng một số túi đã được sử dụng thì trả lại cho thân tế bào và gửi vào lysosome. Một số nguyên liệu được cung cấp bởi môi trường nội bào, bao gồm cả yếu tố tăng trưởng thần kinh (NGF) và virus , cũng được chuyên chở trở lại thân tế bào. Một ngoại lệ quan trọng đối với những nguyên tắc này, dường như xảy ra ở một số đuôi gai. Trong đó, mạch đơn mRNA được vận chuyển từ thân tế bào liên hệ với ribosome thích hợp, và bắt đầu tổng hợp protein để tạo ra protein chuyên biệt cho vùng.
Hình 11:Chuyên chở theo trục dọc các vi sợi bởi dynein và kinesin. Chuyên chở thuận chiều nhanh hay chậm xảy ra dọc theo vi sợi chạy dọc theo chiều dài của trục từ thân tế bào đến đầu tận. Chuyên chở ngược chiều xảy ra từ đầu tận tới than tế bào. (From Widmaier EP, RaffH, Strang KT: Vander's Human Physiology. McGrawHill, 2008.) Kích thích & Dẫn truyền Neuron có một ngưỡng thấp cho kích thích. Các kích thích có thể thuộc điện, thuộc hóa học, hoặc thuộc lý tính. Hai loại rối loạn hóa lý được sản xuất: điện thế cục bộ, điện thế nonpropagated tùy thuộc vào vị trí của chúng có synapse, nguồn, hoặc điện thế trương điện; và điện thế lan truyền, điện thế động (hoặc thần kinh xung). Đây là những chỉ phản ứng điện của neuron, các mô có thể kích thích, và chúng là ngôn ngữ chính của hệ thần kinh. Chúng là do sự thay đổi trong dẫn truyền các ion qua màng tế bào được hình thành do sự thay đổi trong các kênh ion. Những sự kiện thuộc điện trong neuron diễn ra nhanh chóng, được đo bằng mili giây (ms); và những thay đổi điện thế nhỏ, được đo bằng millivolts (mV). Xung động thường được dẫn truyền dọc theo sợi trục đến đầu tận của nó. Dây thần kinh không phải là "dây điện thoại" truyền xung động thụ động; sự dẫn truyền xung thần kinh, mặc dù rất nhanh, nhưng thấp hơn so với tốc độ của điện. Mô thần kinh thật ra là nơi dẫn tương đối kém thụ động, và nó một điện thế khoảng vài volt để tạo ra một tín hiệu khoảng một phần nhỏ của volt ở đầu kia của một trục dài 1 mét, trong sự vắng mặt của các nhánh chủ động trong thần kinh. Sự dẫn truyền thì chủ động, là một quá trình tự hoạt động lan truyền, và di chuyển xung động dọc theo dây TK ở biên độ và vận tốc không đổi. Quá trình này thường được so sánh với những gì sẽ xảy ra khi một sự kết hợp được áp dụng cho một đầu của một đường rải thuốc súng; đốt cháy một đầu, ngọn lửa di chuyển dần xuống đường rải đến hết như là nó bị dập tắt trong sự tiến triển của nó . Neuron động vật có vú là tương đối nhỏ, nhưng neuron không có myelin lớn thì tồn tại trong một số loài không xương sống. Các tế bào này được tìm thấy, ví dụ, trong cua (Carcinus), mực (Sepia), và mực ống (Loligo). Các tính chất cơ bản của neuron lần đầu tiên được xác định trong các loài này và sau đó được tìm thấy tương tự ở các loài khác. Vùng cổ của lớp phủ cơ bắp của mực ống có chứa sợi trục duy nhất lên đến 1 mm đường kính. Các tính chất cơ bản của các sợi trục dài cũng tương tự như của sợi trục động vật có vú. Điện thế nghỉ Khi hai điện cực được kết nối thông qua một bộ khuếch đại phù hợp và được đặt trên bề mặt của một trục duy nhất, không có sự khác biệt về điện thế. Tuy nhiên, nếu một điện cực được đưa vào trong tế bào, thì có một sự chênh lệch điện thế không đổi, từ bên trong ra bên ngoài của tế bào trong trạng thái nghỉ. Một điện thế màng kết quả từ sự tách ra của các điện tích dương và âm màng tếbào. Trong neuron, điện thế nghỉ thường là khoảng 70 mV, gần với sự cân bằng điện thế cho K+.
Hình 12:Điện thế màng là kết quả từ sự tách ra của các điện tích dương và âm màng tế bào. Sự vượt quá điện tích dương (vòng tròn màu đỏ) bên ngoài tế bào và điện tích âm (vòng tròn màu xanh) bên trong các tế bào ở trạng thái nghỉ đại diện cho một phần nhỏ của tổng số các ion hiện có. (From Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM [editors]: Principles ofNeural Science, 4th ed. McGrawHill, 2000.)
Hình 13:Những điện tích trong (a) điện thế màng (mV) và (b) độ thấm tương đối (P) đối với Na+ và K+ trong một điện thế động. (From Widmaier EP, RaffH, Strang KT: Vander's Human Physiology. McGrawHill, 2008.) Để cho sự chênh lệch điện thế xuất hiện trên màng lipid kép, cần có hai điều kiện. Trước tiên, phải có một sự phân phối không đồng đều của các ion của một hoặc nhiều loại qua màng (nghĩa là một gradient nồng độ). Hai, màng phải được thấm vào một hoặc nhiều trong số các loại ion.
Độ thấm được cung cấp bởi sự tồn tại của các kênh hoặc lỗ trong lớp kép; các kênh này thường cho phép thấm 1 loại ion duy nhất . Điện thế nghỉ đại diện cho một sự cân bằng mà tại đó động lực cho các ion màng hạ gradient nồng độ của chúng xuống, qua màng là bằng nhau và ngược lại với những động lực cho các ion hạ gradients điện của chúng. Để cho sự chênh lệch điện thế xuất hiện trên màng lipid kép, cần có hai điều kiện. Trước tiên, phải có một sự phân phối không đồng đều của các ion của một hoặc nhiều loại qua màng (nghĩa là một gradient nồng độ). Hai, màng phải được thấm vào một hoặc nhiều trong số các loại ion. Độ thấm được cung cấp bởi sự tồn tại của các kênh hoặc lỗ trong lớp kép; các kênh này thường cho phép thấm 1 loại ion duy nhất . Điện thế nghỉ đại diện cho một sự cân bằng mà tại đó động lực cho các ion màng hạ gradient nồng độ của chúng xuống, qua màng là bằng nhau và ngược lại với những động lực cho các ion hạ gradients điện của chúng. Dòng ion trong điện thế động Màng tế bào của dây thần kinh, như những tế bào khác, chứa nhiều loại kênh ion khác nhau. Một số có cổng điện áp và một số khác có cổng phối tử. Đây là cách thức hoạt động của các kênh, và đặc biệt là kênh Na+ và K + , điều này giải thích những sự kiện thuộc điện trong dây thần kinh. Những thay đổi trong dẫn truyền qua màng của Na+ và K+ xảy ra khi điện thế động được thể hiện trong hình 6. Sự dẫn truyền của một ion là đối ứng của điện trở của nó trong màng và là một thước đo độ thấm của màng tế bào đối với ion đó. Trong phản ứng với một kích thích khử cực, một số cổng điện áp kênh Na+ trở nên hoạt động, và khi điện thế ngưỡng được đạt tới, cổng điện áp kênh N+ tràn vào các kênh K+ và các kênh khác, dẫn đến một điện thế động được hình thành. Điện thế màng hướng tới khả năng cân bằng cho Na+ (60 mV), nhưng không đạt được CB ở mức điện thế động, chủ yếu là do sự gia tăng dẫn truyền Na+ diễn ra rất nhanh chóng. Các kênh Na+ nhanh chóng đóng lại gọi là trạng thái bất hoạt và vẫn ở tình trạng này trong một vài mili giây trước khi trở về trạng thái nghỉ , khi chúng một lần nữa có thể được kích hoạt. Thêm vào đó, sự định hướng của gradient điện tích cho Na+ bị đảo ngược khicó một cú overshoot xảy ra bởi điện thế màng bị đảo ngược, và giới hạn dòng Na+. Một yếu tố thứ ba gây tái cực là sự mở cửa của cổng điện áp kênh K+. Sự mở này chậm và kéo dài hơn so với việc mở các kênh Na+, và do đó, phần lớn sự gia tăng dẫn đến K+ sau khi tăng Na+. Mạng lưới di chuyển điện tích dương ra khỏi tế bào do K+ giúp hoàn tất quá trình tái cực. Sự trở lại chậm của các kênh K+ đối với trạng thái đóng cũng giải thích sự gây tái cực sau đó, rồi đến điện thế nghỉ. Do đó, cổng điện áp kênh K+ mang lại điện thế động cho đến kết thúc và đóng cổng của chúng gây ra thông qua một một quá trình tác hồi âm (negative feedback).Hình 7 cho thấy sự kiểm soát nghịch liên tục ở cổng điện áp kênh K+ và Na+ trong điện thế động.
Hình 14: Sự điều hòa ngược tại kênh ion phụ thuộc điện thế trên màng tế bào (voltagegated ion channels in the membrane). (a) Kênh ion Na+ sinh ra một tác hồi dương. (b) Kênh ion K+ sinh ra một tác hồi âm. (From Widmaier EP, RaffH, Strang KT: Vander's Human Physiology. McGrawHill, 2008.) Sự giảm nồng độ Na+ ở bên ngoài làm giảm độ lớn của điện thế động, nhưng ít ảnh hưởng lên điện thế nghỉ của màng. Sự thiếu hụt của nhiều tác động lên điện thế nghỉ được dự đoán, bởi tính thấm của màng đối với Na+ tương đối thấp. Ngược lại, sự tăng nồng độ K+ ở bên ngoài làm giảm điện thế nghỉ của màng. Mặc dù Na+ đi vào tế bào thần kinh và K+ ra khỏi trong suốt điện thế động, số lượng ion tham gia là tương quan với số lượng hiện có. Sự thật là dây thần kinh tăng Na+ và mất K+ khi các hoạt động được chứng minh qua thực nghiệm, như các sự khác nhau đáng chú ý trong nồng độ ion có thể được đo chỉ sau khi kéo dài, lặp lại kích thích.