1. Sự phát sinh xung động thần kinh
Xung động thần kinh - luồng thần kinh chạy trong cơ thể người và động vật thực chất là một dòng điện sinh học. Dòng điện này được phát sinh bởi các nguyên nhân sau:
+ Màng tế bào có tính bán thấm (tính thấm chọn lọc): cho phép một số con ra vào dễ dàng, số khác thì khó khăn hơn.
+ Có sự chênh lệch nồng độ giữa các con ở bên trong màng và bên ngoài.
+ Các con vào hoặc đi ra phải mang điện tích trái dấu nhau.
+ Màng tế bào phải hoàn chỉnh về cấu tạo, bình thường về chức năng.
Trong trạng thái nghỉ, màng tế bào thần kinh cho phép các K+ từ trong màng (nơi có nồng độ K+ cao) đi ra ngoài màng, các Cl- từ ngoài màng (nơi có nồng độ Cl- cao) đi vào trong màng. Các ion Na+ thì ở ngoài màng còn các anion hữu cơ thì ở trong màng do kích thước phân tử lớn. Như vậy khi nghỉ, màng ở trạng thái phân cực: ngoài màng điện tích (+), trong màng điện tích (-) Sự phân cực này được gọi là điện thế (thế
hiệu) màng hay điện thế nghìn, và do được khoảng -70mv.
Có thể đo điện thế màng bằng cách cho một cho một điện cực đặt ở ngoài màng, một điện cực cắm vào trong màng và nối với một vôn kế. Khi tế bào thần kinh bị kích thích thì điện thế màng bị đảo ngược làm xuất hiện điện thế hoạt động hay xung động thần kinh.
Nguyên nhân chính tạo nên điện thế hoạt động là sự biến đổi tính thấm của màng tế bào đối với các ion. Xung động thần kinh xuất hiện trải qua 3 giai đoạn sau:
+ Giai đoạn mất phân cực - khử cực: khi bị kích thích, màng thay đổi tính thấm: mở rộng lỗ màng làm cho các Na+ từ ngoài đi vào trong màng một cách ồ ạt, do đó điện tích (+) trong màng tăng dần và trung hoà điện tích (-) của các axit hữu cơ dẫn tới sự mất phân cực (-70mv → 0mv), còn gọi là sự khử cực.
+ Giai đoạn đảo cực: lỗ màng vẫn tiếp tục cho các Na+ đi vào trong một các ồ ạt: Na+ đi vào nhiều gấp 500 lần so với K+ đi ra. Điện tích (+) trong màng tăng vọt lên và chiếm ưu thế làm cho trong màng mang điện tích (+) và ngoài màng mang điện tích(-). Sự đảo cực này chính là điện thế hoạt động hay xung động thần kinh hoặc hưng phấn (0 → 30mv).
+ Giai đoạn tái phân cực: màng chỉ cho phép các
Na+ đi vào trong ồ ạt với thời gian rất ngắn vài ‰ s. Ngay sau đó, cơ chế bơm Na đẩy các Na+ trở ra ngoài màng làm cho ngoài màng lại tích điện (+) và trong màng lại tích điện (-), tức là màng trở lại phân cực (tái phân cực): 50mv → -70mv.
a. Dẫn truyền hưng phấn trên dây thần kinh không có bao myelin
Trong trạng thái nghỉ, màng của sợi trục tế bào thần kinh có điện thế nghỉ: ngoài tích điện (+) trong tích điện (-).
Khi một điểm (điểm A) của sợi trục bị kích thích, tính thấm của màng đối với Na+ ở tại điểm A tăng lên làm cho các ion Na+ đi ồ ạt vào trong màng nên đã xảy ra hiện tượng đảo cực: ngoài (-) trong (+). Nghĩa là xuất hiện xung động thần kinh tại điểm A. Điện thế hoạt động này làm giảm điện thế màng ở điểm tiếp theo (điểm B) xuống khoảng 20mv. Khi đó tính thấm của màng đối với Na+ ở điểm B tăng lên làm điểm B xuất hiện điện thế hoạt động. Khi điểm B đảo cực thì điểm A ở trạng thái tái phân cực do các Na+ đi ra ngoài màng. Đến lượt mình, điện thế hoạt động ở điểm B lại làm tăng tính thấm của màng đối với Na+ ở điểm tiếp theo trên sợi trục. Nhờ vậy hưng phấn được truyền từ điểm này tới điểm khác của sợi trục theo kiểu xoáy lốc theo chiều từ (+)
b. Dẫn truyền hưng phấn trên dây thần kinh có bao myelin
Bao myelin là một màng cách điện nên phần sợi trục có myelin bọc ngoài không dẫn truyền điện được. Từng quãng một trên sợi trục có eo Ranvier không chứa myelin nên có khả năng dẫn truyền hưng phấn.
Bình thường ngoài màng của eo Ranvier tích điện (+) trong màng tích điện (-). Khi có kích thích tác động vào eo A thì hiện tượng đảo cực xảy ra ở eo này làm xuất hiện hưng phấn. Điện th ế hoạt động của eo A sẽ làm tính thấm của màng đối với Na ở eo B tăng lên gây nên hiện tượng đảo cực và hưng phấn ở eo B. Đ ến lượt mình, eo B lại làm xuất hiện hưng phấn ở eo C. Nghĩa là hưng phấn được dẫn truy ền theo kiểu nhảy cóc từ eo
nọ sang eo kia. Chính nhờ kiểu nhảy cóc này mà tốc độ dẫn truyền hưng phấn trên dây thần kinh có bao myehn rất nhanh: 100- 120m/s, trong khi trên dây thần kinh không có myelin chỉ đạt: 20-40m/s.
c. Dẫn truyền hưng phấn qua sinap
Sinap là diện tiếp xúc giữa các nơron với nhau hay giữa nơron với các tế bào khác của cơ thể (tế bào cơ). Sinap có 2 loại cơ bản: sinap thần kinh- thần kinh, sinap thần kinh- cơ. Một sinap được tạo nên từ 3 phần:
+ Màng trước sinap: là nhánh tận cùng hay đầu mút của sợi trục. Phần cuối phình to gọi là cúc sinap (chuỳ sinap) trong có các bọng chứa chất môi giới hoá học - acetylcholine.
+ Khe sinap: là khoảng cách giữa màng trước sinap và màng sau sinap, rộng 100-300μm.
+ Màng sau sinap: có thể là màng của một nơron khác hay màng của một sợi cơ
Khi có kích thích truyền đến màng trước sinap thì các bọng môi giới vỡ ra, giải phóng chất acetycholine qua lỗ màng → khe sinap và tác động làm màng sau bị đảo cực để xuất hiện hưng phấn.
Khi đã tác động vác màng sau thì acetylcholine nhanh chóng bị enzym acetylcholinesterase thuỷ phân thành acetat và choline. Các sản phẩm này được đưa trở lại màng trước để tái tổng hợp thành acetylcholine mới bù vào lượng đã bị tiêu hao. Vì acetylcholine chỉ được tổng hợp ở màng trước sinap nên dẫn truyền hưng phấn chỉ diễn ra theo một chiều từ màng trước tới màng sau. Điều này giải thích quy luật dẫn truyền một chiều trong hoạt động thần kinh. Nếu màng trước không tạo đủ acetylcholine thì hưng phấn không được truyền tới màng sau. Điều này giải thích quy luật mệt mỏi trong hoạt động của hệ thần kinh.