Αναζήτηση / Search

  
Νευροεπιστήμες - 2. Νευρώνες και δυναμικό ενέργειας
Νευροεπιστήμες - 2. Νευρώνες και δυναμικό ενέργειας
Νευροεπιστήμες - 2. Νευρώνες και δυναμικό ενέργειας
Νευροεπιστήμες - 2. Νευρώνες και δυναμικό ενέργειας
Νευροεπιστήμες - 2. Νευρώνες και δυναμικό ενέργειας
Νευροεπιστήμες - 2. Νευρώνες και δυναμικό ενέργειας
Νευροεπιστήμες - 2. Νευρώνες και δυναμικό ενέργειας

 

 

 

 

Περιεχόμενα/Contents

Νευροεπιστήμες: Οι επιστήμες του εγκεφάλου
• Εισαγωγή
• 1. Νευρικό σύστημα
• 2. Νευρώνες και δυναμικό ενέργειας
• 3. Χημικοί μεταφορείς σήματος
• 4. Φάρμακα και εγκέφαλος
• 5. Αφή και πόνος
• 6. Όραση
• 7. Κίνηση
• 8. Ανάπτυξη του νευρικού συστήματος
• 9. Δυσλεξία
• 10. Πλαστικότητα
• 11. Μάθηση και μνήμη
• 12. Στρες
• 13. Το ανοσοποιητικό σύστημα
• 14. Ύπνος
• 15. Εγκεφαλική απεικόνιση
• 16. Νευρωνικά δίκτυα και τεχνητοί εγκέφαλοι
• 17. Όταν κάτι πάει στραβά
• 18. Νευροηθική
• 19. Εκπαίδευση και επαγγελματικός προσανατολισμός
• 20. Άλλες βιβλιογραφικές πηγές και ευχαριστίες

 

Όλοι οι νευρώνες, είτε είναι αισθητικοί είτε κινητικοί, είτε μεγάλοι είτε μικροί, έχουν ως κοινό γνώρισμα ότι η δραστηριότητά τους είναι και ηλεκτρική και χημική. Οι νευρώνες συνεργάζονται αλλά και ανταγωνίζονται ο ένας τον άλλο, προκειμένου να ρυθμίσουν τη γενικότερη κατάσταση του νευρικού συστήματος, όπως και τα μέλη μιας κοινωνίας που συνεργάζονται αλλά και ανταγωνίζονται όταν χρειάζεται να ληφθούν κάποιες αποφάσεις. Τα χημικά σήματα, που δέχονται οι δενδρίτες από τους άξονες που τους προσεγγίζουν, μετατρέπονται σε ηλεκτρικά σήματα, τα οποία προστίθενται ή αφαιρούνται από άλλα ηλεκτρικά σήματα που λαμβάνονται από όλες τις άλλες συνάψεις, συμβάλλοντας έτσι στην απόφαση αν το σήμα θα μεταδοθεί περαιτέρω. Τα ηλεκτρικά δυναμικά στη συνέχεια οδεύουν από τους άξονες προς τις συνάψεις και τους δενδρίτες του επόμενου νευρώνα και η διαδικασία επαναλαμβάνεται.

Ο «δυναμικός» νευρώνας

Όπως περιγράψαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο, ένας νευρώνας αποτελείται από τους δενδρίτες, το κυτταρικό σώμα, τον άξονα και τις συναπτικές απολήξεις. Αυτή η δομή αντανακλά τη λειτουργική υποδιαίρεσή του σε επιμέρους διαμερίσματα πρόσληψης, ολοκλήρωσης και μεταβίβασης της πληροφορίας. Σε γενικές γραμμές, οι δενδρίτες προσλαμβάνουν, το κυτταρικό σώμα ολοκληρώνει και οι άξονες μεταβιβάζουν – μία διαδικασία που ονομάζεται πόλωση, καθώς η πληροφορία που επεξεργάζονται υποθετικά οδεύει προς μία κατεύθυνση μόνο.

Όπως κάθε δομή, έτσι και ο νευρώνας πρέπει να διατηρήσει τη συνοχή του. Οι εξωτερικές μεμβράνες των νευρώνων, οι οποίες είναι φτιαγμένες από λιποειδικές ουσίες, περιβάλλουν τον κυτταροσκελετό που αποτελείται από νηματοειδή και σωληνοειδή μικροσυμπλέγματα πρωτεϊνών, τα οποία εκτείνονται στους δενδρίτες και στους άξονες. Αυτή η δομή μοιάζει λίγο με ύφασμα τεντωμένο πάνω στο σωληνοειδή σκελετό ενός αντίσκηνου. Τα διαφορετικά μέρη ενός νευρώνα βρίσκονται σε συνεχή κίνηση, μία διαδικασία επαναδιάταξης που αντανακλά τη δική του δραστηριότητα και εκείνη των γειτονικών του νευρώνων. Οι δενδρίτες αλλάζουν σχήμα, δημιουργώντας νέες συνδέσεις και καταργώντας άλλες, ενώ οι άξονες αναπτύσσουν νέες απολήξεις καθώς ο νευρώνας πασχίζει να μιλήσει, άλλοτε λίγο πιο δυνατά ή άλλοτε λίγο πιο απαλά, στους άλλους νευρώνες.

Νωτιαίος κινητικός νευρώνας, πυραμιδικό κύτταρο και κύτταρο Purkinje της παρεγκεφαλίδας

Στο εσωτερικό των νευρώνων υπάρχουν πολλά διαμερίσματα. Τα διαμερίσματα αυτά αποτελούνται από πρωτεΐνες, που κυρίως παράγονται στο κυτταρικό σώμα και μεταφέρονται κατά μήκος του κυτταροσκελετού. Μικροσκοπικές προεξοχές οι οποίες προβάλλουν από τους δενδρίτες ονομάζονται δενδριτικές άκανθοι. Πρόκειται για τα σημεία όπου οι εισερχόμενοι άξονες δημιουργούν τις περισσότερες συνδέσεις τους. Οι πρωτεΐνες που μεταφέρονται στις ακάνθους είναι σημαντικές για τη δημιουργία και τη διατήρηση της νευρωνικής συνδεσμολογίας. Οι πρωτεΐνες αυτές διαρκώς ανακυκλώνονται και αντικαθιστώνται από νέες, όταν ολοκληρώσουν τη δουλειά τους. Όλη αυτή η δραστηριότητα απαιτεί καύσιμα και γιαυτό τον λόγο μέσα στο κύτταρο υπάρχουν εργοστάσια παραγωγής ενέργειας (μιτοχόνδρια) που συντηρούν αυτή τη διαδικασία. Τα τελικά σημεία των αξόνων απαντούν επίσης σε μόρια που ονομάζονται αυξητικοί παράγοντες. Αυτοί οι παράγοντες προσλαμβάνονται και στη συνέχεια μεταφέρονται στο κυτταρικό σώμα, όπου επηρεάζουν την έκφραση γονιδίων και ως εκ τούτου την παραγωγή νέων πρωτεϊνών. Αυτή η πορεία επιτρέπει στον νευρώνα να αναπτύσσει μεγαλύτερους δενδρίτες ή να παράγει άλλες δυναμικές μεταβολές στο σχήμα και στη λειτουργία του. Έτσι ένας νευρώνας μπορεί να εμφανίσει μακρύτερους δενδρίτες ή ακόμη και να κάνει άλλες δυναμικές αλλαγές στο σχήμα και τη λειτουργία του. Πληροφορίες, θρεπτικές ουσίες και μεταβιβαστές ρέουν προς και από το κυτταρικό σώμα διαρκώς.

Πρόσληψη πληροφορίας και λήψη αποφάσεων

Στο διαμέρισμα του νευρώνα όπου γίνεται η πρόσληψη της πληροφορίας, οι δενδρίτες έχουν σημεία στενής επαφής με τους εισερχόμενους άξονες άλλων νευρώνων, κάθε ένας από τους οποίους διαχωρίζεται από ένα ελάχιστο χάσμα – σχισμή-μεγέθους περίπου 20 δισεκατομμυριοστών του μέτρου. Ένας δενδρίτης μπορεί να έχει σημεία επαφής με έναν, μερικούς ή ακόμη και χιλιάδες άλλους νευρώνες. Αυτά τα κομβικά σημεία ονομάζονται συνάψεις, από την αρχαία Ελληνική λέξη συνάπτω (συν-άπτω-αφή- στενή ένωση δύο ή περισσοτέρων πραγμάτων). Οι περισσότερες συνάψεις των κυττάρων του εγκεφαλικού φλοιού εντοπίζονται στις δενδριτικές άκανθες που ξεπροβάλλουν σα μικρά μικρόφωνα αναζητώντας αμυδρά σήματα. Η επικοινωνία των νευρικών κυττάρων σε αυτά τα σημεία επαφής ονομάζεται συναπτική διαβίβαση και περιλαμβάνει μία χημική διαδικασία, που θα περιγράψουμε στο επόμενο Κεφάλαιο. Όταν ο δενδρίτης δέχεται έναν από τους χημικούς μεταφορείς σήματος που απελευθερώθηκε στη σχισμή που τον χωρίζει από τον άξονα του άλλου κυττάρου, δημιουργούνται μικροσκοπικά ηλεκτρικά ρεύματα μέσα στην προσλαμβάνουσα δενδριτική άκανθα. Συνήθως πρόκειται για ρεύματα που εισέρχονται στο κύτταρο, διαδικασία που την αποκαλούμε διέγερση, ή ρεύματα που εξέρχονται από το κύτταρο, διαδικασία που την αποκαλούμε αναστολή. Όλα αυτά τα θετικά και αρνητικά κύματα ρεύματος συσσωρεύονται στους δενδρίτες και μεταδίδονται στο κυτταρικό σώμα. Αν δεν αθροιστούν για να προκληθεί επαρκής δραστηριότητα, τα ρεύματα σύντομα εξασθενούν και δε συμβαίνει κάτι περισσότερο. Ωστόσο, αν τα ρεύματα αθροιστούν και φτάσουν σε ένα επίπεδο που ξεπερνά έναν ουδό, ο νευρώνας θα στείλει το μήνυμά του στους άλλους νευρώνες.

Επομένως, ένας νευρώνας μοιάζει με ένα είδος μικροσκοπικού υπολογιστή που διαρκώς προσθέτει και αφαιρεί. Προσθέτει και αφαιρεί τα μηνύματα που δέχεται από άλλους νευρώνες. Κάποιες συνάψεις προκαλούν διέγερση και κάποιες άλλες αναστολή. Ο τρόπος με τον οποίο αυτά τα σήματα αποτελούν τη βάση των αισθήσεων, της σκέψης και της κίνησης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το δίκτυο στο οποίο είναι ενσωματωμένοι αυτοί οι νευρώνες.

Tο δυναμικό ενέργειας

Για να μεταδοθεί το νευρωνικό σήμα από τον ένα νευρώνα στον άλλο, πρέπει πρώτα να διασχίσει τον άξονα. Πώς, όμως, το κάνουν αυτό οι νευρώνες; Η απάντηση εξαρτάται από τον έλεγχο της φυσικής και χημικής ενέργειας που είναι ενσωματωμένες και στο συνδυασμό αυτών των δυνάμεων με αποτελεσματικό τρόπο. Οι άξονες των νευρώνων μεταδίδουν ηλεκτρικές ώσεις, που ονομάζονται δυναμικά ενέργειας.

Τα δυναμικά ενέργειας μεταδίδονται κατά μήκος των νευρικών ινών σαν ένα κύμα που περνάει μέσα από ένα σχοινάκι. Αυτό είναι αποτελεσματικό, επειδή η μεμβράνη του άξονα περιέχει ιοντικά κανάλια, τα οποία ανοίγουν και κλείνουν για να επιτρέψουν το πέρασμα σε ηλεκτρικά φορτισμένα ιόντα. Από κάποια κανάλια περνούν ιόντα νατρίου (Na+), ενώ από άλλα περνούν ιόντα καλίου (K+). Όταν τα κανάλια ανοίγουν, τα ιόντα Na+ ή K+ ρέουν μέσω διαφορετικών χημικών και ηλεκτρικών δυνάμεων, μέσα και έξω από το κύτταρο, ως απάντηση στην ηλεκτρική εκπόλωση της μεμβράνης.

Όταν ένα δυναμικό ενέργειας ξεκινά από το κυτταρικό σώμα, ανοίγουν πρώτα τα κανάλια Na+. Ένα κύμα ιόντων νατρίου μπαίνει σαν αστραπή μέσα στο κύτταρο και δημιουργείται μία νέα ισορροπία μέσα σε ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου. Μέσα σε μια στιγμή, το δυναμικό ενέργειας αλλάζει κατά περίπου 100 mV. Η εσωτερική μεμβρανική τάση που είναι αρνητική (περίπου -70 mV) μεταβάλλεται γρήγορα σε θετική (περίπου +30 mV). Αυτή η αλλαγή ανοίγει κανάλια K+, πυροδοτώντας ένα κύμα ιόντων καλίου να εκρεύσει από το κύτταρο, σχεδόν τόσο γρήγορα όσο εισήλθαν τα ιόντα Na+ και ακολούθως το μεμβρανικό δυναμικό επανέρχεται στην αρχική του αρνητική τιμή στο εσωτερικό. Το δυναμικό ενέργειας τελειώνει μέσα σε λιγότερο χρόνο από ότι χρειάζεται για να ανοίξουμε ένα διακόπτη ρεύματος στο σπίτι μας και να τον ξανακλείσουμε αμέσως. Αξίζει να σημειωθεί ότι για να συμβεί αυτό πολύ λίγα ιόντα απαιτείται να διασχίσουν την κυτταρική μεμβράνη και οι συγκεντρώσεις των ιόντων Na+ και K+ στο κυτταρόπλασμα δεν αλλάζουν σημαντικά κατά τη διάρκεια ενός δυναμικού ενέργειας. Ωστόσο, μακροπρόθεσμα, διατηρείται μία ισορροπία σε αυτά τα ιόντα, με τη βοήθεια αντλιών ιόντων, που δουλειά τους είναι να αποβάλλουν την περίσσεια ιόντων νατρίου. Η διαδικασία αυτή μοιάζει σα να βγάζουμε με ένα δοχείο, νερό που μπήκε σε μία βάρκα από μία μικρή ρωγμή, χωρίς να επηρεάζεται η γενικότερη ικανότητα του σκάφους να αντέξει στην πίεση του νερού, πάνω στο οποίο επιπλέει.

Το δυναμικό ενέργειας είναι ένα πολύπλοκο ηλεκτρικό γεγονός. Οι νευρικές ίνες λειτουργούν σαν αγωγοί ηλεκτρικού ρεύματος (αν και είναι πολύ λιγότερο αποδοτικές από τα μονωμένα καλώδια) και έτσι το δυναμικό ενέργειας που δημιουργείται σε ένα σημείο, προκαλεί κλιμάκωση της τάσης ανάμεσα στις εν ενεργεία και στις εν ηρεμία μεμβράνες, που βρίσκονται δίπλα του. Με τον τρόπο αυτό, το δυναμικό ενέργειας μεταδίδεται με ένα κύμα εκπόλωσης που εξαπλώνεται από το ένα άκρο της νευρικής ίνας στο άλλο.

Μία παρομοίωση που μπορεί να σας βοηθήσει να καταλάβετε τη μετάδοση των δυναμικών ενέργειας είναι η διακίνηση της ενέργειας σε ένα βεγγαλικό, όταν το ανάψουμε. Η πρώτη ανάφλεξη προκαλεί την ταχύτατη παραγωγή τοπικής δραστηριότητας (ανάλογα με τα ιόντα που εισέρχονται και εξέρχονται από τον άξονα στο σημείο του δυναμικού ενέργειας), αλλά η γενικότερη μετάδοση του κύματος των σπινθήρων είναι πολύ πιο αργή. Ένα εκπληκτικό γνώρισμα των νευρικών ινών είναι ότι μετά από μία πολύ σύντομη περίοδο σιγής (την περίοδο ανερεθιστότητας) η αδρανής μεμβράνη ανακτά την ικανότητά της για διέγερση, προετοιμάζοντας τη μεμβράνη του άξονα για το επόμενο δυναμικό ενέργειας.

Πολλές από αυτές τις πληροφορίες τις γνωρίζουμε εδώ και 50 χρόνια και αυτό οφείλεται σε θαυμάσια πειράματα, που έγιναν σε πολύ μεγάλους νευρώνες και στους άξονές τους που βρίσκονται σε ορισμένα θαλάσσια όντα. Το μεγάλο μέγεθος αυτών των αξόνων επέτρεψε σε επιστήμονες να τοποθετήσουν μικροσκοπικά ηλεκτρόδια μέσα στους άξονες και να μετρήσουν τις αλλαγές της ηλεκτρικής τάσης. Σήμερα, μία σύγχρονη τεχνική ηλεκτρικής καταγραφής που ονομάζεται patch-clamping δίνει τη δυνατότητα στους νευροεπιστήμονες να μελετήσουν την κινητικότητα των ιόντων μέσα από μεμονωμένα ιοντικά κανάλια σε όλα τα είδη νευρώνων και έτσι να διενεργήσουν ακριβείς μετρήσεις αυτών των ρευμάτων σε εγκεφάλους, που μοιάζουν πολύ με το δικό μας.

Μόνωση των αξόνων

Σε πολλούς άξονες, τα δυναμικά ενέργειας μεταδίδονται σχετικά ικανοποιητικά, αλλά όχι πολύ γρήγορα. Σε άλλους, τα δυναμικά ενέργειας στην πραγματικότητα «χοροπηδούν» κατά μήκος του νεύρου. Αυτό συμβαίνει, επειδή μεγάλα τμήματα του άξονα είναι τυλιγμένα με ένα λιπώδες, μονωτικό υλικό, φτιαγμένο από τις τεντωμένες εξωτερικές μεμβράνες των γλοιακών κυττάρων, που ονομάζεται έλυτρο μυελίνης.

Νέα ευρήματα σύγχρονων μελετών μας δίνουν πληροφορίες για τις πρωτεΐνες οι οποίες σχηματίζουν το έλυτρο μυελίνης. Αυτό το επίστρωμα εμποδίζει τα ιοντικά ρεύματα να διαρρεύσουν προς λάθος κατεύθυνση αλλά συχνά τα γλοιακά κύτταρα αφήνουν ένα βοηθητικό μικρό κενό. Στο σημείο αυτό ο άξονας συγκεντρώνει τα κανάλια Na+ και K+. Αυτές οι συστάδες ιοντικών καναλιών λειτουργούν σαν ενισχυτές που προάγουν και συντηρούν το δυναμικό ενέργειας καθώς κυριολεκτικά αυτό «χοροπηδάει» κατά μήκος του νεύρου. Η διαδικασία αυτή μπορεί να είναι πολύ γρήγορη. Στην πραγματικότητα, στους νευρώνες που καλύπτονται από έλυτρο μυελίνης, τα δυναμικά ενέργειας μπορούν να τρέχουν με ταχύτητα 100 μέτρα το δευτερόλεπτο!

Τα δυναμικά ενέργειας έχουν το χαρακτηριστικό γνώρισμα να είναι «όλα ή τίποτα»: δε διαφέρουν στο μέγεθος αλλά μόνο στη συχνότητα εμφάνισης. Έτσι, ο μόνος τρόπος να κωδικοποιηθεί η ένταση ή η διάρκεια ενός ερεθίσματος σε ένα κύτταρο είναι η εναλλαγή της συχνότητας των δυναμικών ενέργειας. Οι πιο αποδοτικοί άξονες μπορούν να μεταδώσουν δυναμικά ενέργειας με συχνότητες μέχρι και 1000 φορές το δευτερόλεπτο!

Σύνδεσμοι στο Διαδίκτυο: http://psych.hanover.edu/Krantz/neurotut.html  http://www.neuro.wustl.edu/neuromuscular/  

International Brain Research Organisation (IBRO)
British Neuroscience Association (BNA)
Ελληνική μετάφραση:
Ζέτα Παπαδοπούλου-Νταϊφώτη, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Φαρμακολογίας
και Διευθύντρια του Εργαστηρίου Φαρμακολογίας της Ιατρικής Σχολής του Παν/μιου Αθηνών
Δρ Στέλλα Γ. Γιακουμάκη, Ψυχολόγος, Μεταδιδακτορική Ερευνήτρια του Τμήματος Ιατρικής του Παν/μίου Κρήτης
Γεώργιος Κωστόπουλος, Πρόεδρος της Ελληνικής Εταιρείας Νευροεπιστημών
Τελευταία αναθεώρηση : 19/12/2007

Πνευματικά δικαιώματα © 2008 - Ασκληπιακό Πάρκο Ιατρικής Σχολής Πανεπιστημίου Αθηνών - Πιλοτική εφαρμογή - Ανάληψη ευθυνών
Επιστροφή στην αρχική σελίδα  -  Επικοινωνία


Σας παρακαλούμε να απαντήσετε στο απλό ερώτημα "Θα συνιστούσατε στους φίλους σας και στους γνωστούς σας να επισκεφτούν την Πύλη και να διαβάσουν το συγκεκριμένο κείμενο;" Η απλή αυτή ερώτηση (Business Week, Lanuary 20, 2006 - quoting a Harvard Business Review article) μπορεί να καταδείξει την απήχηση της συγκεκριμένης ιστοσελίδας, σχετικά με το αν επιτελεί το έργο για το οποίο έχει σχεδιαστεί. Βαθμολογήστε στην κλίμακα από 0 εώς 10. Η βαθμολογία σας θα καταχωρηθεί αυτομάτως.