Bộ đếm web cho blog miễn phí

Trang chủ www.docsachysinh.com

Ebook online

SINH LÝ HỌC TẾ BÀO THẦN KINH

Phùng Trung Hùng - Đào Nguyễn Phương Linh - Nguyễn Phước Long

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 ion 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 26.1: 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 26.2: 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 26.3: 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:

Hình26.4: 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 <0.1μM ở điện thế nghỉ lên đến từ 1-100μM. Ion Ca2+ sẽ bám vào 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 26.5: Minh họa quá trình tiết neurotransmitter, sự tái tạo synapse vesicle và sự tái hấp thu neurotransmitter.

Sự co cơ và sự mở kênh acetylcholine-Gated cation

Hình 26.6: 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 26.7: 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 26.8: 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 được ion 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 kênh dành 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 G-Proteins. G-protein bám vào phần thụ thể hướng vào bên trong tế bào. G-protein 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. Ở bên góc trái của Hình: kênh K+ được mở nhờ G-protein, nhờ G- protein kênh này được mở ra rất lâu so với cơ chế không dùng hệ thống chất thông tin thứ 2.

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. G-protein 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 G-protein 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 26.9: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 26.10: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 of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 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 Epstein-Barr 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,β-interferon) ngăn chặn phản ứng miễn dịch giảm bớt mức độ nghiêm trọng và làm chậm sự tiến triển của bệnh.

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 26.11: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, Raff H, Strang KT: Vander's Human Physiology. McGraw-Hill, 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 26.12: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 of Neural Science, 4th ed. McGraw-Hill, 2000.)

Hình 26.13: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, Raff H, Strang KT: Vander's Human Physiology. McGraw-Hill, 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.

Trong neuron, nồng độ K+ ở bên trong cao hơn nhiều so với bên ngoài tế bào, trong khi Na+ thì ngược lại. Sự khác biệt này được thành lập do bơm Na+-K+ - ATPase. Gradient nồng độ của K+ bên ngoài là kết quả của sự di chuyển thụ động của K+ ra khỏi tế bào khi các kênh K+-được mở. Tương tự, gradient nồng độ Na+ bên trong là kết quả của sự di chuyển thụ động Na+ vào trong tế bào khi các kênh Na+ được mở. Bởi vì có nhiều kênh K+ được mở hơn so với các kênh Na+ kênh còn lại, tính thấm màng đối với K+ là lớn hơn. Do đó, nồng độ K+ bên trong và bên ngoài là yếu tố quyết định điện thế nghỉ của màng tế bào, mà do đó gần với điện thế cân bằng cho K+. Các khe ion vững chắc không thể tiếp tục mãi mãi mà không có sự hào mòn gradient ion. Điều này được ngăn cản bởi bơm Na+-K+ - ATPase, tích cực di chuyển Na+ và K+ chống gradient điện hóa 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 Na+ 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 26.14: Sự điều hòa ngược tại kênh ion phụ thuộc điện thế trên màng tế bào (voltage-gated 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, Raff H, Strang KT: Vander's Human Physiology. McGraw-Hill, 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.

Các ion khác, đặc biệt là Ca2+ có thể tác động lên điện thế màng thông qua sự di chuyển qua kênh và các tương tác đối với màng. Sự giảm nồng độ Ca2+ trong tế bào làm tăng khả năng kích thích của thần kinh và tế bào cơ bởi sự giảm số lượng phân cực cần thiết để bắt đầu những sự thay đổi trong việc dẫn truyền Na+ và K+ để tạo ra điện thế động. Ngược lại, sự tăng nồng độ Ca2+ trong tế bào có thể làm ổn định màng bởi sự giảm khả năng kích thích.

Sự phân bố các kênh ion trong các neuron có myelin

Sự phân bố không gian của các kênh ion dọc theo trục giữ vai trò then chốt trong sự khởi đầu và điều hòa của điện thế động. Các kênh thuộc tổng điện áp Na+ có nồng độ cao hơn trong các eo Ranvier và ở đoạn mở đầu trong neuron có myelin. Đoạn đầu (neuron cảm giác), eo Ranvier đầu tiên là các vị trí nơi mà các xung động thường được tạo ra, và các eo Ranvier khác là các vị trí để các xung động thực hiện các bước nhảy dẫn truyền. Số lượng kênh Na+ của mỗi micromet vuông của màng trong các neuron có myelin của động vật có vú được ước lượng vào khoảng 50 đến 75 trong các tế bào của cơ thể, 350 đến 500 trong đoạn mở đầu, ít hơn 25 trên bề mặt của myelin, 2000 đến 12000 tại các eo Ranvier, và 20 đến 75 tại các đầu tận của trục. Dọc các trục của các neuron không được myelin hóa, số lượng là khoảng 110. Ở nhiều neuron có myelin , các kênh Na+ ở bên sườn của các kênh K+ liên quan đến sự tái cực.

Định luật tất cả hay không có gì(all or none)

Nó có thể được định nghĩa là cường độ tối thiểu của kích thích dưới ngưỡng, gây ra điện thế động. Cường độ dưới ngưỡng đa dạng trong một khoảng thời gian; với kích thích yếu thì nó dài, với kích thích mạnh thì nó ngắn. Mối quan hệ giữa độ lớn và khoảng thời gian của một kích thích dưới ngưỡng được gọi là đường cong cường độ - thời gian. Từ từ tăng số luồng hỏng (currents fail) bởi vì các dây thần kinh tương ứng được áp dụng vào kích thích, một quá trình được gọi là thích ứng.

Khi cường độ ngưỡng được đạt tới, một điện thế động được tạo ra. Sự tăng thêm trong cường độ của một kích thích không tạo ra sự lớn lên hoặc là thay đổi khác trong điện thế động như các điều kiện thực nghiệm khác. Điện thế động không xảy ra nếu kích thích có độ lớn dưới ngưỡng và nó xảy ra với biên độ không đổi, hình thức không phụ thuộc vào độ lớn của kích thích, nếu kích thích đạt hoặc vượt ngưỡng cường độ. Điện thế động do tính chất "tất cả hoặc không" nên được cho là tuân theo định luật “tất cả hoặc không có gì”.

Điện thế trương điện, đáp ứng cục bộ, mức ngưỡng(firing level)

Mặc dù kích thích dưới ngưỡng không tạo ra điện thế động nhưng chúng làm ảnh hưởng đến điện thế này. Điều này có thể được chứng minh bằng cách đặt điện cực đã được đánh dấu vào trong một vài mm của 1 điện cực kích thích và áp dụng kích thích dưới ngưỡng trong một khoảng thời gian cố định. Ứng dụng này của các dòng như vậy dẫn đến sự thay đổi điện thế phân cực cục bộ mà tăng mạnh và phân rã theo cấp số nhân theo thời gian. Độ lớn của phản ứng này giảm đi nhanh chóng khi khoảng cách giữa các điện cực kích thích và được đánh dấu tăng lên. Ngược lại, anod tạo ra sự thay đổi điện thế tăng cực của khoảng thời gian tương tự. Sự thay đổi điện thế này được gọi là điện thế trương điện. Khi độ lớn của dòng tăng lên, phản ứng sẽ lớn hơn do việc bổ sung này càng tăng của 1 phản ứng cục bộ của màng (hình 4-8). Cuối cùng, tại 7 mV đến 15 mV của sự khử cực (điện thế là -55mV), mức ngưỡng (firing level) đạt được và 1 điện thế động xảy ra.

Hình 26.15:Điện thế trương điện và đáp ứng cục bộ (tại chỗ). Những thay đổi về điện thế màng của 1 neuron khi kích thích với cường độ gấp 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, và 1.0 lần cường độ ngưỡng được hiển thị chồng lên nhau trên cùng 1 độ chia thời gian. Các đáp ứng này dưới đường ngang là những ghi nhận gần anod, và các đáp ứng trên đường này là những ghi nhận gần catod. Các kích thích của cường độ ngưỡng được lặp lại 2 lần. Một lần nó gây ra 1 điện thế động lần truyền, và một lần nó không gây ra.

Thay đổi trong khả năng kích thích của điện thế trương điện và điện thế động

Khi có điện thế động cũng như khi có điện thế trương điện và đáp ứng cục bộ, ngưỡng của các neuron để kích thích thay đổi. Các phản ứng gây tăng cực nâng cao ngưỡng, và điện thế phân cực thấp hơn ngưỡng khi chúng dịch chuyển điện thế màng gần hơn với mức ngưỡng. Khi có các đáp ứng cục bộ, và ngưỡng được hạ xuống neuron trở nên khó kích thích. Khoảng thời gian trơ được chia thành “khoảng thời gian trơ tuyệt đối” tương ứng với khoảng thời gian từ thời điểm the firing level đạt tới cho tới tái cực là khoảng 1/3 thời gian, và “khoảng thơi gian trơ tương đối”, kéo dài từ thời điểm để bắt đầu sau khi khử cực. Trong thời gian trơ tuyệt đối, không có kích thích, không cần biết nó mạnh như thế nào, sẽ kích thích thần kinh, nhưng trong khoảng thời gian trơ tương đối, mạnh hơn kích thích thông thường có thể gây kích thích. Sau khi khử cực, ngưỡng giảm 1 lần nữa và sau khi gây tăng cực, lại tăng lên. Những thay đổi trong ngưỡng có tương quan với các giai đoạn của điện thế động trong hình 9.

Hình 26.16:Sự thay đổi tương đối trong khả năng kích thích của một màng tế bào thần kinh khi truyền tải 1 xung động. Chú ý là khả năng kích thích là sự đảo lại của ngưỡng (Modified from Morgan CT: Physiological Psychology. McGraw-Hill, 1943.)

Nguồn gốc của điện thế động

Màng tế bào thần kinh bị phân cực, với cực dương xếp dọc theo phía ngoài của màng và cực âm dọc theo phía trong. Khi có điện thế động, sự phân cực được xóa bỏ, và trong 1 thời gian ngắn thì thực sự bị đảo ngược. (Hình 10). Cực dương từ màng ở phía trước và phía sau điện thế động đổ vào khu vực của điện tích âm được đại điện bởi điện thế động (“current sink”). Bằng cách thu lại điện tích dương, lưu lượng này giảm tính phân cực của màng trước điện thế động. Sự khử cực điện bắt đầu một phản ứng cục bộ, và khi the firing level đạt tới, một phản ứng lan truyền xảy ra mà lần lượt khử cực điện màng ở phía trước nó.

Hình 26.17: Dòng chảy cục bộ (sự di chuyển của các điện tích dương) xung quanh 1 xung động trong 1 trục. Ở trên: trục không được myelin hóa. Ở dưới: trục được myelin hóa. Các điện tích dương từ màng ở phía trước và phía sau điện thế động đổ vào khu vực của điện tích âm đại diện bởi điện thể động (“current sink”). Trong sợi trục được myelin hóa, sự khử cực nhảy từ eo ranvier này đến eo ranvier kế cận.

Dẫn truyền nhảy vọt

Dẫn truyền trong sợi trục myelin hóa dựa vào 1 mô hình tương tự dòng điện tròn, tuy nhiên myelin là 1 chất cách điện hiệu quả, và dòng qua nó là không đáng kể. Thay vào đó, sự khử cực trong trục myelin hóa nhảy từ 1 eo ranvier sang eo kế cận, với “current sink” tại eo hoạt động phục vụ cho việc khử cực điện tại eo trước điện thế động đến mức ngưỡng (hình 10). Sự khử cực nhảy từ eo này sang eo khác gọi là dẫn truyền nhảy vọt. Nó là 1 quá trình rất nhanh mà tuân theo trục myelin để dẫn truyền nhanh gấp 50 lần các sợi không được myelin hóa.

Dẫn truyền thuận dòng và ngược dòng.

Một trục có thể dẫn truyền 1 trong 2 hướng. Khi 1 điện thế động bắt đầu ở giữa của nó, 2 xung động di chuyển về các hướng đối diện được thiết lập bởi sự phân cực điện trên cả 2 phía của current sink. Trong 1 tình huống tự nhiên, các xung động vượt qua theo 1 hướng duy nhất, tức là, từ các mối nối synapse hoặc thụ thể dọc theo trục đến các đầu tận của chúng. Sự dẫn truyền như vậy được gọi là thuận dòng. Sự dẫn truyền theo hướng ngược lại gọi là ngược dòng. Bởi vì các synapse, không giống các trục, cho phép sự dẫn truyền theo 1 hướng duy nhất, 1 xung động ngược chiều sẽ vượt qua synapse đầu tiên mà chúng bắt gặp và chết tại điểm đó.

 

Điện thế động 2 pha

Những mô tả điện thế nghỉ của màng và điện thế động dựa trên sự ghi nhận với 2 điện cực, 1 ở trong tế bào và 1 ở trong nó. Nếu cả 2 điện cực đặt trên bề mặt của trục, thì không có sự chênh lệch điện thế giữa chúng. Khi thần kinh bị kích thích và 1 xung động được dẫn truyền qua 2 điện cực, 1 chuỗi những thay đổi điện thế xảy ra. Khi sóng khử cực đến các điện cực gần kích thích nhất, điện cực này trờ nên âm tương quan với điện cực kia (hình 11). Khi xung động đi tới 1 phần của dây thần kinh giữa 2 điện cực, điện thế trở về 0, và sau đó, khi nó vượt qua điện cực thứ 2, điện cực ban đầu trờ nên dương tương quan với cái thứ 2. Đó là thông thường để kết nối theo cách mà khi điện cực ban đầu trở nên âm tương quan với cái thứ 2, 1 sự chênh lệch hướng lên được ghi nhận. Do đó, những ghi nhận thể hiện sự lệch được tuân theo bởi 1 khoảng đẳng điện và sau đó lệch xuống phía dưới. Kết quả này gọi là điện thế động 2 pha.

Hình 26.18: Điện thế động 2 pha. Cả 2 điện cực được ghi nhận thì nằm ngoài màng thần kinh. Đó là thông thường để kết nối theo cách mà khi điện cực ban đầu trở nên âm tương quan với cái thứ 2, sự chênh lệch hướng lên được ghi nhận. . Do đó, những ghi nhận thể hiện sự lệch được tuân theo bởi 1 khoảng đẳng điện và sau đó lệch xuống phía dưới.

Tính chất của các dây thần kinh hỗn hợp

Các dây thần kinh ngoại biên ở động vật có vú được tạo thành từ nhiều trục bị ràng buộc với nhau trong 1 bao sợi gọi là vỏ dây thần kinh. Điện thế thay đổi được ghi nhận trong tế bào từ các sợi thần kinh này, do đó đại diện cho tổng đại số của định luật tất cả hoặc không có gì của nhiều trục. Các ngưỡng của các sợi trục thần kinh và khoảng cách của chúng từ các điện cực kích thích. Với kích thích dưới ngưỡng, không có trục nào bị kích thích và không có phản ứng nào xảy ra. Khi kích thích trong cường độ ngưỡng, các trục với kích thích ngưỡng thấp và 1 sự thay đổi điện thế nhỏ xảy ra. Khi cường độ của kích thích tăng lên, các trục với ngưỡng cao hơn sẽ đổi dấu. Phản ứng điện tăng lên theo tỷ lệ cho đến khi kích thích đủ mạnh để kích thích tất cả các trục của thần kinh. Kích thích mà tạo ra sự kích thích của tất cả các trục gọi là kích thích cực đại, và áp dụng cho cái lớn hơn, kích thích siêu cực đại tạo ra điện thế không tăng hơn nữa về độ lớn.

Các loại sợi thần kinh và chức năng

Sau khi kích thích được áp dụng cho 1 dây thần kinh, có 1 khoảng thời gian tiềm tàn trước khi bắt đầu 1 điện thế động. Khoảng thời gian này phù hợp với thời gian cần để 1 xung động truyền dọc theo trục từ vị trí kích thích tới điện cực được ghi nhận. Thời lượng của nó thì tỷ lệ với khoảng cách giữa kích thích và điện cực ghi nhận và tỷ lệ nghịch với tốc độ dẫn truyền. Nếu thời lượng của thời gian tiềm tàn và khoảng cách giữa kích thích và điện cực ghi nhận được biết, thì vận tốc dẫn truyền theo trục có thể được tính toán.

Erlarger & gasser chia các sợi thần kinh ở động vật có vú thành các nhóm A, B, C, và có thể chia nhỏ hơn nữa. Trong bảng 1, các kiểu sợi thần kinh khác nhau được liệt kê với đường kính, tính chất điện, và chức năng. Bằng cách so sánh sự thiếu hụt neuron gây ra bởi khu vực rễ sau hoặc là các thí nghiệm cắt thần khác với sự thay đổi mô học trong các dây thần kinh đó, chức năng và tính chất mô học của mỗi hệ trục chịu trách nhiệm cho cao điểm của điện thế động phức hợp được tạo thành. Thông thường, đường kính lớn hơn của 1 sợi thần kinh càng lớn thì tốc độ dẫn truyền thần kinh càng nhanh. Các trục lớn có liên quan chủ yếu với proprioceptive, chức năng vận động dinh dưỡng, xúc giác, tạo áp suất, khi các trục nhỏ hơn gây đau và cảm giác nhiệt độ và chức năng tự chủ. Các sợ nhóm C dẫn truyền các xung động được tạo thành bởi xúc giác và các thụ thể da bên cạnh các xung động bắt nguồn bởi sự đau và thụ thể nhiệt độ.

Fiber Type

Function

Fiber Diameter (μm)

Conduction Velocity (m/s)

Spike Duration (ms)

Absolute Refractory Period (ms)

A

 

 

 

 

 

α

Proprioception; somatic motor

12–20

70–120

 

 

β

Touch, pressure

5–12

30–70

0.4–0.5

0.4–1

γ

Motor to muscle spindles

3–6

15–30

 

 

δ

Pain, cold, touch

2–5

12–30

 

 

B

Preganglionic autonomic

<3

3–15

1.2

1.2

C

 

 

 

 

 

Dorsal root

Pain, temperature, some mechano-reception

0.4–1.2

0.5–2

2

2

Sympathetic

Postganglionic sympathetic

0.3–1.3

0.7–2.3

2

2

 

Các nghiên cứu khác cho thấy không phải tất cả các thành phần kí tự được mô tả cổ điển và đồng nhất và 1 hệ thống số La Mã được sử dụng bởi 1 số nhà sinh lý học để phân loại các sợ cảm giác. Thật không may, điều này đã dẫn đến nhầm lẫn. Một sự so sánh về hệ thống số và hệ thống chữ được biểu diễn ở bảng 2.

Number

Origin

 

Fiber Type

Ia

Muscle spindle, annulo-spiral ending

 

A α

Ib

Golgi tendon organ

 

A α

II

Muscle spindle, flower-spray ending; touch, pressure

 

A β

III

Pain and cold receptors; some touch receptors

 

A δ

IV

Pain, temperature, and other receptors

 

Dorsal root C

 

Ngoài các biến đổi trong tốc độ dẫn truyền và đường kính sợi, các lớp khác nhau của các sợi trong hệ thần kinh ngoại biên khác nhau về độ nhạy của chúng   để giảm oxy trong máu và gây mê (bảng 4-3). Thực tế này đã được chứng nhận lâm sàn cũng như sinh lý. Gây mê cục bộ làm giảm sự dẫn truyền trong các sợi thần kinh nhóm C trước khi chúng tác động đến các sợi xúc giác nhóm A. Ngược lại, áp lực lên 1 dây thần kinh có thể gây mất sự dẫn truyền trong sợi vận động, sợi cảm giác, sợi chịu áp lực có đường kính lớn khi cảm giác đau vẫn còn tương đối nguyên vẹn. Mô hình của loại này đôi khi được nhìn thấy ở những người khi ngủ gối cánh tay ở dưới đầu trong 1 thời gian dài gây nén các dây thần kinh ở cánh tay. Bởi vì sự kết hợp của giấc ngủ sâu với sự ngộ độc rượu, hội chứng phổ biến nhất vào cuối tuần nên đã được đặt 1 cái tên thú vị là “chứng tê liệt đêm thứ 7 và sáng chủ nhật”.

Susceptibility to:

Most Susceptible

Intermediate

Least Susceptible

Hypoxia

B

A

C

Pressure

A

B

C

Local anesthetics

C

B

A

 

Neurotrophins

Hỗ trợ dinh dưỡng của neuron

Một số protein cần thiết cho sự sống còn và phát triển của tế bào thần kinh đã được cô lập và nghiên cứu. Một số các neurotrophins là sản phẩm của các cơ hoặc cấu trúc khác mà các tế bào thần kinh phân bố, nhưng các sản phẩm khác thì được sản xuất bởi astrocyte. Các protein nối kết với các thụ thể tại đầu tận của 1 neuron. Chúng được tiếp thu và sau đó được vận chuyển bởi sự vận chuyển nghịch đến thân tế bào thần kinh, nơi mà chúng thúc đẩy sản xuất các protein liên kết với phát triển neuron, tăng trưởng và sống còn. Các neurotrophins khác được sản xuất trong tế bào thần kinh và vận chuyển theo kiểu thẳng đến đầu tận thần kinh nơi chúng duy trì tính toàn vẹn của các neuron trước synapse.

Thụ thể

4 neurotrophin được tạo ra và 3 thụ thể có ái lực cao của chúng được liệt kê trong bảng 4. Mỗi thụ thể trk dimer hóa, và sự tự phosphorylation khởi đầu này trong phạm vi tyrosine kinase thuộc tế bào chất của các thụ thể. Một thụ thể NGF có ái lực thấp phụ thêm là một protein 75-kDa được gọi là p75NTR. Thụ thể này liên kết với tất cả bốn neurotrophins đã được liệt kê với ái lực bằng nhau. Có một số bằng chứng cho thấy nó có thể tạo thành một heterodimer với monomer trk A và dimmer này đã tăng ái lực và đặc trưng cho NGF. Tuy nhiên, hiện nay người ta còn cho rằng  thụ thể p75NTR có thể hình thành homodimers trong trường hợp vắng mặt thụ thể trk gây ra apoptosis, một hiệu ứng đối lập với sự thúc đẩy phát triển bình thường và sự nuôi dưỡng tác động của neurotrophins.

Neurotrophin

Receptor

Nerve growth factor (NGF)

trk A

Brain-derived neurotrophic factor (BDNF)

trk B

Neurotrophin 3 (NT-3)

trk C, less on trk A and trk B

Neurotrophin 4/5 (NT-4/5)

trk B

 

Các hoạt động

Các neurotrophin đầu tiên được mô tả đặc điểm là NGF, một yếu tố tăng trưởng protein mà cần thiết cho sự tăng trưởng và duy trì các neuron giao cảm và 1 số neuron cảm giác. Nó hiện diện trong 1 phổ rộng các loài động vật, bao gồm cả con người, và được tìm thấy trong các mô khác nhau. Ở những con chuột đực, có 1 nồng độ cao đặc biệt trong tuyến nước bọt dưới hàm và mức độ này bị giảm bởi việc thiến, giống như ở chuột cái. Các yếu tố này được chia làm 2 tiểu đơn vị. Các tiểu đơn vị này, mỗi trong số đó có khối lượng phân tử là 13200 Da, có tất cả các hoạt động thúc đẩy tăng trưởng thần kinh, các tiểu đơn vị có hoạt động giống trypsin, và các tiểu đơn vị là serine protease. Chức năng của protease thì chưa biết. Cấu trúc của các đơn vị của NGF tương tự của insulin. NGF được dón nhận bởi neuron và được vận chuyển theo kiểu nghịch từ đầu tận của neuron đến thân tế bào của chúng. Nó cũng tồn tại trong não và chịu trách nhiệm cho sự tăng trưởng và duy trì các neuron trong não trước và thể vân. Việc tiêm huyết thanh miễn dịch kháng AGF ở động vật sơ sinh dẫn đến sự tiêu hủy hoàn toàn của các hạch giao cảm; do đó nó tạo ra chứng  immunosympathectomy. Có bằng chứng cho rằng việc duy trì các tế bào thần kinh của NGF là do giảm apoptosis.

Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), neurotrophin 3 (NT-3), NT-4/5, và NGF duy trì một mô hình khác nhau của neuron, mặc dù ở đây có một sự trùng lấp. Tổn hại của NT-3 bởi một gene bất thường(knockout gene) gây ra tổn thất rõ rang của thụ thể tiến tố da, ngay cả trong heterozygotes. BDNF hoạt động nhanh chóng và có thể thực sự phân cực neuron. BDNF - con chuột thiếu tế bào thần kinh ngoại biên mất cảm giác và có những thay đổi thoái hóa trầm trọng trong hạch tiền đình của chúng .

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến tăng trưởng neuron

Quy luật của sự tăng trưởng neuron là một quá trình phức tạp. TB Schwann và astrocyte  sản xuất yếu tố thần kinh có mao (CNTF). Yếu tố này thúc đẩy sự tồn tại của neuron bị hư hại và neuron thuộc phôi dây sống và có thể chứng minh được giá trị trong điều trị bệnh của con người trong đó neuron vận động bị thoái hóa. Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) duy trì các neuron dopaminergic midbrain trong ống nghiệm. Tuy nhiên, GDNF Knockouts có tế bào thần kinh dopaminergic xuất hiện bình thường, nhưng chúng không có thận và không để phát triển một hệ thống thần kinh ruột. Một yếu tố khác giúp nâng cao sự tăng trưởng của tế bào thần kinh là bệnh bạch cầu ức chế yếu tố (LIF). Ngoài ra, tế bào thần kinh cũng như các tế bào khác đáp ứng với insulinlike yếu tố tăng trưởng I (IGF-I) và các hình thức khác nhau của biến đổi yếu tố tăng trưởng (TGF), yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi (FGF), và yếu tố tăng trưởng có nguồn gốc từ tiểu cầu (PDGF).

Clinical box2: so sánh khả năng tái sinh tế bào thần kinh sau chấn thương thần kinh trung ương và ngoại biên.

Tái tạo theo trục

Tổn thương dây thần kinh ngoại biên thường là thuận nghịch. Mặc dù trục sẽ thoái hóa dần đến phá hủy, nhưng các yếu tố liên kết của cái gọi là các gốc xa thường tồn tại. Sự mọc ra theo trục từ gốc đầu gần, phát triển cho đến đầu tận TK. Đây là kết quả của các yếu tố thúc đẩy tăng trưởng tiết ra bởi tế bào Schwann thu hút sợi trục đối với gốc ngoại biên. Các phân tử bám dính của immunoglobulin superfamily (ví dụ, NgCAM/L1) thúc đẩy tăng trưởng trục cùng màng tế bào và các chất ngoại bào. Phân tử ức chế  trong perineurium đảm bảo các sợi trục tái sinh lớn lên trong một quỹ đạo chính xác. Cắt gốc đầu xa có khả năng sản xuất upregulate neurotrophins thúc đẩy tăng trưởng. Một khi các axon tái tạo đạt mục tiêu của nó, một chức năng mới kết nối (ví dụ, mối nối thần kinh cơ) được thành lập. Sự tái tạo cho phép phục hồi mặc dù không phải là đáng kể. Ví dụ, một sự điều khiển vận động tốt có thể bị làm hư hại chủ yếu bởi mộ vài neuron vận động được hướng dẫn đến một sợi không thích hợp. Các gốc đầu gần của một trục bị thiệt hại trong CNS sẽ hình thành mầm ngắn, nhưng phục hồi gốc xa thì rất hiếm, và các sợi trục bị hư hỏng không có khả năng hình thành synapse mới. Điều này là do các neuron thần kinh trung ương không có các hóa chất thúc đẩy tăng trưởng cần thiết để tái sinh. Trong thực tế, CNS myelin là một chất ức chế mạnh sự tăng trưởng axonal. Ngoài ra, sau chấn thương thần kinh trung ương một số sự kiện-astrocytic phổ biến hạt nhân, kích hoạt của microglia, hình thành sẹo, viêm, và cuộc xâm lược của miễn dịch tế bào, cung cấp một môi trường không thích hợp cho tái sinh. Vì vậy, xử lý của não và tổn thương tủy sống thường xuyên tập trung vào việc phục hồi chức năng chứ không phải là đảo ngược những thiệt hại thần kinh. New nghiên cứu là nhằm xác định cách thức để bắt đầu và duy trì tăng trưởng axonal, để trực tiếp tái tạo sợi trục tế bào thần kinh kết nối lại với mục tiêu của chúng, và để reconstitute gốc tế bào thần kinh mạch.

Tóm tắt chương

• Có hai loại chính của microglia và macroglia. Microglia là những tế bào tiêu hóa. Macroglia bao gồm các tế bào ít nhánh, các tế bào Schwann, và astrocyte. Việc đầu tiên của cả hai này là tham gia vào việc hình thành myelin; astrocyte sản xuất các chất được tropic to tế bào thần kinh, và chúng giúp duy trì nồng độ thích hợp của các ion và dẫn truyền thần kinh.

• Neurons được tạo thành từ một than tế bào (soma) là trung tâm trao đổi chất của tế bào thần kinh, đuôi gai mở rộng ra phía ngoài của than tế bào và một sợi trục dài bắt nguồn từ một khu vực khá dày của than tế bào gọi là các gò sợi trục.

• Các sợi trục của tế bào thần kinh có một vỏ bọc myelin, một phức hợp protein, lipid được quấn quanh các axon. Myelin là một chất cách điện có hiệu quả, và bởi sự khử cực ở sợi trục có myelin nhảy từ một eo Ranvier đến eo kế tiếp, với “current sink” tại 1 eo hoạt động cung cấp ….thuộc điện đến the firing level 

• Orthograde giao thông xảy ra dọc theo microtubules chạy theo chiều dài của axon và đòi hỏi phải có động cơ phân tử, dynein, và kinesin.

• Hai loại rối loạn xảy ra ở tế bào thần kinh hóa lý: điện thế cục bộ, nonpropagated (synapsetic, nguồn phát, hoặc electrotonic điện thế) và điện thế lan truyền (điện thế động).

• Để đối phó với một kích thích depolarizing, cổng điện áp kênh Na+ kênh trở thành hoạt động, và khi điện thế ngưỡng được đạt tới, tạo ra một điện thế. Điện thế màng, đang hướng tới khả năng cân bằng cho Na+. Các kênh Na+nhanh chóng đi vào một trạng thái đóng (bất hoạt nhà nước) trước khi trở về trạng thái nghỉ. Sự định hướng của gradient điện tích cho Na+ bị đảo ngược khi the overshoot 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.

• Sợi thần kinh được chia thành các loại đường kính khác nhau dựa trên vận tốc dẫn truyền theo trục, và chức năng.

• Neurotrophins được sản xuất bởi astrocyte và vận chuyển bằng vận chuyển ngược vào thân tế bào thần kinh, nơi chúng thúc đẩy sản xuất các protein liên kết với phát triển tế bào thần kinh, tăng trưởng, và sự sống còn của dây TK.

Sửa lần cuối ngày 14/9/2012- www.docsachysinh.com

 Hãy cùng nhau chung tay xây dựng cộng đồng Y sinh học của Việt Nam bằng tri thức khoa học!

Diễn đàn Đọc sách Y Sinh