Układ nerwowy
Tkanka nerwowa - budowa i funkcjonowanie
Wyjaśnisz istotę powstawania i przewodzenia impulsu nerwowego.
Wykażesz związek między budową neuronu a przewodzeniem impulsu nerwowego.
Przedstawisz działanie synapsy chemicznej, uwzględniając rolę przekaźników chemicznych.
Podasz przykłady neuroprzekaźników.
Układ nerwowy człowieka zbudowany jest z ok. 100 miliardów komórek nerwowych, muszki owocowej (Drosophila melanogaster) – ze 100 tys., a nicienia z gatunku Caenorhabditis elegans – z zaledwie 302. Komórki nerwowe są wyspecjalizowane w przewodzeniu impulsów nerwowychimpulsów nerwowych. Czynność tę pełnią za pośrednictwem wypustek, które – zebrane w pęczki – tworzą nerwy.
Tkanka nerwowa
Układ nerwowy kontroluje i koordynuje wszystkie czynności życiowe organizmu, takie jak aktywność ruchowa, praca narządów wewnętrznych, a także świadomość, podświadomość i aktywność intelektualna. Zbudowany jest z tkanki nerwowej, która składa się z neuronów, czyli komórek nerwowych, oraz komórek glejowych, które tworzą rodzaj podłoża dla neuronów.
Neurony
Komórka nerwowa zbudowana jest z ciała komórki (perykarionu) oraz wypustek. Każdy neuron posiada jedną długą wypustkę, zwaną aksonemaksonem i wiele krótszych - dendrytówdendrytów.
Neurony przewodzą impulsy nerwowe jednokierunkowo od dendrytów przez ciało komórki do zakończeń aksonu. Przekazywanie impulsów nerwowych pomiędzy komórkami odbywa się za pomocą specjalnych struktur nazywanych synapsami.
Na zewnętrznej powierzchni błony komórkowej dendrytów znajdują się tysiące kolców dendrytycznych. To wypustki, które odbierają sygnały pobudzające od innych neuronów przez synapsy znajdujące się na ich szczycie. Kolce dendrytyczne są niezwykle plastyczne. Ich liczba, rozmiar i kształt zmieniają się w krótkim czasie, co jest związane z procesem uczenia się i zapamiętywania. Ponad 90% synaps pobudzających w układzie nerwowym znajduje się na kolcach dendrytycznych.
Komórki nerwowe mają niewielkie zdolności regeneracyjne. Dojrzałe komórki nerwowe nie dzielą się, ale jeśli uszkodzeniu ulegnie akson, neuron może go odtworzyć. Ten proces regeneracyjny w aksonach obwodowego układu nerwowegoobwodowego układu nerwowego zachodzi dzięki komórkom glejowym. W centralnym układzie nerwowymcentralnym układzie nerwowym komórki glejowe mogą hamować ten proces.
Komórki glejowe – neuroglej
Prawidłowe funkcjonowanie układu nerwowego nie byłoby możliwe bez komórek glejowych, których liczba wielokrotnie przewyższa liczbę neuronów. Komórki glejowe wykazują zdolność do podziałów, dzięki czemu mogą pełnić ważne funkcje pomocnicze względem komórek nerwowych.
Rola komórek glejowych:
Pełnią funkcję podporową dla komórek nerwowych.
Niektóre, np. komórki Schwanna i oligodendrocyty wytwarzają osłonki mielinoweosłonki mielinowe wokół aksonów komórek nerwowych, przez co wpływają na szybkość przewodzenia impulsów nerwowych.
Dostarczają neuronom substancji odżywczych.
Chronią neurony przed uszkodzeniem mechanicznym.
Izolują komórki nerwowe od sąsiednich tkanek i narządów.
Biorą udział w procesach odpornościowych w obrębie układu nerwowego.
Biorą udział w procesach naprawczych tkanki nerwowej, wypełniając puste przestrzenie po uszkodzonych neuronach oraz uczestnicząc w regeneracji niektórych aksonów.
Komórki glejowe występujące w ośrodkowym układzie nerwowym przede wszystkim astrocyty, oligodendrocyty i komórki mikrogleju.
Komórki glejowe obwodowego układu nerwowego to głównie komórki Schwanna (lemocyty).
Niektóre komórki Schwanna, podobnie jak oligodendrocyty, wytwarzają osłonkę mielinową, która powstaje z wielokrotnego owinięcia całej komórki wokół aksonu. W przeciwieństwie do oligodendrocytów które mogą mielinizować kilka aksonów, w przypadku komórek Schwanna, jeden akson jest mieliniowany przze kilka lemocytów. Miejsca pomiędzy sąsiadującymi lemocytami, to przwężenia Ranviera.
W zależności od stopnia osłonięcia aksonu przez komórki glejowe (czyli obecności lub braku mielinymieliny i neurolemy) wyróżnia się trzy typy włókien nerwowychwłókien nerwowych:
nagie - nieosłonięte żadną komórką glejową,
bezrdzenne - otoczone komórkami Schwanna (neurolemą), ale bez osłonki mielinowej,
rdzenne - otoczone komórkami Schwanna lub wypustkami oligodendrocytów oraz osłonką mielinową.
Niedawne odkrycia naukowe wykazały, że astrocyty nie pełnią wyłącznie funkcji pomocniczej wobec neuronów. Komórki te komunikują się zarówno ze sobą, jak i z neuronami, wydzielają do synaps neuroprzekaźnikineuroprzekaźniki oraz je stamtąd wychwytują. Proces ten znacznie wzmacnia przewodnictwo synaptyczne, usprawniając funkcjonowanie mózgowia. Przypuszcza się, że astrocyty mają istotny wpływ na uczenie się i pamięć.
Podział funkcjonalny neuronów
Funkcja neuronów polega na odbieraniu, przetwarzaniu oraz przekazywaniu informacji w postaci impulsów nerwowych. Ze tego względu neurony podzielono na:
Potencjał spoczynkowy i czynnościowy neuronu
Komórki nerwowe żywego organizmu są pobudliwe, co oznacza, że pod wpływem bodźcabodźca mogą przechodzić ze stanu spoczynku do stanu pobudzenia. Minimalna siła bodźca konieczna do pobudzenia neuronu to tzw. wartość progowa.
Potencjał spoczynkowy
Niepobudzona komórka nerwowa wykazuje potencjał spoczynkowy. Jest to różnica potencjałów między wnętrzem komórki, a środowiskiem zewnątrzkomórkowym. Wynosi ona ok. -70 mV, co oznacza, że cytozol w sąsiedztwie błony komórkowej jest ujemnie naładowany w stosunku do płynu zewnątrzkomórkowego.
Wartość potencjału spoczynkowego wynika przede wszystkim z dużego nagromadzenia jonów NaIndeks górny ++ w płynie międzykomórkowym. Ich stężenie jest tam ok. 10 razy wyższe niż w jej wnętrzu i wynika z działania pompy sodowo‑potasowejpompy sodowo‑potasowej. Pompa ta, wbudowana w błonę neuronu aktywnie (z udziałem ATP) wytłacza jony NaIndeks górny ++ z komórki, a wprowadza do komórki z płynu zewnątrzkomórkowego jony KIndeks górny ++. Pompa działa jednak asymetrycznie: na każdy wyprowadzone 3 jony sodu wprowadza do komórki dwa jony potasu.
Potencjał czynnościowy
Po zadziałaniu bodźca o wartości progowej dochodzi do przemieszczenia się jonów NaIndeks górny ++ w poprzek błony neuronu zgodnie z gradientem ich stężeń. Transport ten zachodzi biernie przez kanały sodowe znajdujące się w błonie komórki nerwowej.
Pod wpływem bodźca progowego otwierają się kanały sodowe, co umożliwia napływ jonów sodowych z płynu zewnątrzkomórkowego do cytozolu neuronu. W wyniku tego wnętrze komórki staje się dodatnie względem środowiska zewnętrznego, które przyjmuje ładunek ujemny. Ten stan, zwany depolaryzacjądepolaryzacją, pogłębia się, ponieważ otwieranie kolejnych kanałów sodowych powoduje dalszy napływ Na⁺ do wnętrza komórki. Gdy potencjał błonowy osiągnie wartość progową, tj. -55 mV, depolaryzacja postępuje bardzo gwałtownie i zostaje wyzwolony potencjał czynnościowy, podczas którego potencjał błonowy wzrasta do około +30 mV. Po osiągnięciu tej wartości kanały sodowe zamykają się, a otwierają kanały potasowe. Jony potasu wypływają z komórki nerwowej, co powoduje, że potencjał mierzony w poprzek błony komórkowej neuronu staje się coraz to niższy i przyjmuje wartości ujemne — jest to faza repolaryzacjirepolaryzacji.
Dalszy wypływ jonów potasowych, skutkuje spadkiem potencjału błonowego poniżej wartości potencjału spoczynkowego. Stan ten nosi nazwę hiperpolaryzacji. Ostatecznie kanały potasowe zamykają się, a dzięki działaniu pompy sodowo‑potasowej zostaje przywrócony potencjał spoczynkowy.
Bodźce które są zbyt słabe, aby doprowadzić błonę neuronu do wartości progowej (ok. –55 mV), nie wywołują potencjału czynnościowego i nazywane są bodźcami podprogowymi.
Bodźce nadprogowe, to bodźce, których siła jest większa niż wartość progowa potrzebna do wywołania potencjału czynnościowego w neuronie. Powodują one depolaryzację błony neuronu powyżej wartości progowej, np. do -30 mV, jednak nie powodują „większego” potencjału czynnościowego. Mogą jednak zwiększyć częstotliwość powstawania potencjałów czynnościowych lub prawdopodobieństwo, że neuron wygeneruje kolejny potencjał czynnościowy.
Podczas pobudzenia neuron traci lub wykazuje obniżoną zdolność do reagowania na bodźce. Okres ten nazywany jest okresem refrakcji. Wyróżnia się dwa jego rodzaje: refrakcję bezwzględnąoraz refrakcję względną.
Impuls nerwowy i jego propagacja
Wytworzony lokalnie w neuronie potencjał czynnościowy powoduje depolaryzację sąsiedniego fragmentu błony komórkowej, który z kolei depolaryzuje następny odcinek, i tak kolejno aż do zakończenia neuronu. Taką przesuwającą się falę depolaryzacji nazywamy impulsem nerwowym.
W zależności od obecności w aksonie neuronu osłonki mielinowej lub jej braku, wyróżnia się dwa typy propagacji impulsu nerwowego: propagację ciągłą oraz propagację skokową.
Propagacja ciągła zachodzi w aksonach pozbawionych osłonki mielinowej (bezrdzennych i nagich). Powstające lokalnie prądy przenoszą się od jednego punktu błony do drugiego, jest to ruch jednostajny ze stałą prędkością. Tuż za falą depolaryzacyjną przesuwa się fala repolaryzacyjna. U człowieka szybkość przewodzenia w komórkach bezmielinowych jest wolna: 0,5- 1 m/s.
Propagacja skokowa ma miejsce jedynie we włóknach posiadających osłonkę mielinową. Ten typ przewodzenia polega na przenoszeniu impulsu nerwowego skokowo między przewężeniami Ranviera, z pominięciem fragmentów pokrytych mieliną. Pomiędzy przewężeniami impuls nerwowy przemieszcza się dzięki szybkiemu przepływowi jonów sodowych. Przewodzenie skokowe, w porównaniu z ciągłym, zachodzi znacznie szybciej. We włóknach pokrytych osłonką mielinową impulsy przewodzone są z szybkością do 120 m/s.
Siła impulsu czyli wartość, jaką osiąga potencjał czynnościowy jest zawsze taka sama. Różna może być tylko częstotliwość przewodzenia impulsów i to jej zawdzięczamy możliwość rozróżniania siły odbieranych przez nas bodźców zgodnie z zasadą: słabszy bodziec – częstotliwość mniejsza, silniejszy – większa.
Zapoznaj się z filmem, zwracając uwagę na różnicę między potencjałem spoczynkowy a czynnościowym, także między polaryzacją, depolaryzacją a repolaryzacją. Następnie wykonaj polecenia.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1B2q8xPxWnw6
Film nawiązujący do treści materiału.
Synapsa - rodzaje, budowa i funkcjonowanie
Podstawową cechą komórek nerwowych, oprócz generowania potencjałów czynnościowych, jest zdolność komunikowania się z innymi neuronami lub komórkami innych tkanek. Komunikacja ta jest realizowana przy udziale synaps, czyli miejsc funkcjonalnego kontaktu między komórką nerwową z inną komórką nerwową (synapsy nerwowo‑nerwowe), komórką nerwową z komórką mięśniową (synapsy nerwowo‑mięśniowe) i komórką nerwową z komórką gruczołową (synapsy nerwowo‑gruczołowe).
W każdej synapsie nerwowo‑nerwowej wyróżnia się:
neuron presynaptyczny, który przekazuje impuls nerwowy
neuron postsynaptyczny, który odbiera impuls nerwowy
szczelinę synaptyczną, która znajduje się pomiędzy neuronem pre- i postsynaptycznym
Ze względu na mechanizm przekazywania impulsu nerwowego pomiędzy komórkami synapsy dzieli się na dwa podstawowe rodzaje: synapsy elektryczne oraz synapsy chemiczne.
W obrębie synapsy elektrycznej błona presynaptyczna (neuronu presynaptycznego) i postsynaptyczna (neuronu postynaptycznego) leżą bardzo blisko siebie - szerokość szczeliny synaptycznej wynosi tylko od 2 do 3 nm. Dzięki takiemu położeniu błon komórkowych możliwe jest wytworzenie między nimi mostków cytoplazmatycznych, zwanych połączeniami szczelinowymi.
Impuls nerwowy docierający do synapsy elektrycznej przekazywany jest przez połączenia szczelinowe bezpośrednio do komórki postsynaptycznej bez żadnego opóźnienia. Ponieważ połączenia szczelinowe w większości synaps elektrycznych są trwale otwarte, tego typu synapsy mogą przewodzić impulsy dwukierunkowo – w zależności od tego, która z połączonych komórek w danym momencie generuje pobudzenie.
Synapsy elektryczne występują m.in. w korze mózgowej i mięśniu sercowym.
Czynnikiem warunkującym przekazywanie impulsu nerwowego w synapsie chemicznej jest neuroprzekaźnik. Neuroprzekaźnik to związek chemiczny syntezowany przez komórkę nerwową i magazynowany w tzw. pęcherzykach synaptycznych w pobliżu błony presynaptycznej.
Impuls nerwowy, docierający do zakończenia aksonu, powoduje wydzielenie neuroprzekaźnika do szczeliny synaptycznej o szerokości ok. 20 nm. Następnie neuroprzekaźnik przemieszcza się w szczelinie na zasadzie dyfuzji i dociera do błony postsynaptycznej, w której zlokalizowane są receptory postsynaptyczne. Połączenie cząsteczek neuroprzekaźnika ze specyficznymi dla niego receptorami w błonie postsynaptycznej prowadzi do otwierania się w tej błonie kanałów jonowych. Przepływ jonów przez te kanały wywołuje zmianę potencjału błonowego komórki postsynaptycznej, co może prowadzić do jej depolaryzacji i przeniesienia impulsu nerwowego lub hiperpolaryzacji i zatrzymania przesyłania bodźca.
Synapsy chemiczne (w przeciwieństwie do opisanych wcześniej synaps elektrycznych) działają zawsze jednokierunkowo, gdyż tylko w pobliżu błony presynaptycznej zlokalizowane są pęcherzyki z neuroprzekaźnikiem i tylko błona postsynaptyczna zawiera receptory postsynaptyczne. Dodatkowo cechą każdej synapsy chemicznej jest zjawisko tzw. opóźnienia synaptycznego. Związane jest ono z czasem potrzebnym do dyfuzji neuroprzekaźnika i aktywacji receptorów postsynaptycznych. Gdy neuroprzekaźnik, pod wpływem depolaryzacji, zostanie uwolniony do szczeliny synaptycznej i połączy się z receptorem na błonie postsynaptycznej, następuje częściowy rozkład neuroprzekaźnika. Większość ulega zwrotnemu wychwytowi i ponownemu umieszczeniu w pęcherzykach presynaptycznych. Takie rozwiązanie pozwala na szybką „regenerację” gotowości komórki do przekazania kolejnego impulsu nerwowego.
Synapsy pobudzające i hamujące
W synapsie elektrycznej impuls nerwowy przekazywany jest natychmiast przez połączenia szczelinowe do komórki postsynaptycznej, powodując depolaryzację jej błony komórkowej. Stąd wszystkie synapsy elektryczne są synapsami pobudzającymi.
W przypadku synaps chemicznych połączenie cząsteczek neuroprzekaźnika z receptorami w błonie postsynaptycznej może doprowadzić do depolaryzacji błony postsynaptycznej (pobudzenia) lub hiperpolaryzacji błony postsynaptycznej (hamowania). Dlatego wyróżnia się dwa rodzaje synaps chemicznych: pobudzające i hamujące.
Synapsy chemiczne pobudzające to takie, w których błona postsynaptyczna zawsze ulega depolaryzacji, a komórka postynaptyczna zostaje pobudzona. Neuroprzekaźnikami w takich synapsach są np. acetylocholina, noradrenalina, dopamina czy serotonina.
W synapsach chemicznych hamujących błona postsynaptyczna ulega zawsze hiperpolaryzacji, co uniemożliwia wytworzenie potencjału czynnościowego i przekazanie impulsu nerwowego do komórki postsynaptycznej. Neuroprzekaźnikami w takich synapsach są kwas gamma‑aminomasłowy (GABA) oraz glicyna.
Podsumowanie
Układ nerwowy kontroluje i koordynuje wszystkie czynności życiowe organizmu, takie jak aktywność ruchowa, praca narządów wewnętrznych, a także świadomość, podświadomość i aktywność intelektualna.
Podstawowymi komórkami tkanki nerwowej są neurony i komórki glejowe.
Neuron składa się z ciała komórki (perykarionu), dendrytów i aksonu.
Neurony przewodzą impulsy nerwowe jednokierunkowo od dendrytów przez ciało komórki do zakończeń aksonu.
Komórki glejowe pełnią funkcje podporowe, odżywcze, ochronne i regeneracyjne. Do gleju należą:
- Astrocyty uczestniczą w odżywianiu neuronów.
- Oligodendrocyty (w ośrodkowym układzie nerwowym) i komórki Schwanna (w obwodowym układzie nerwowym) tworzą osłonki mielinowe, które przyspieszają przewodzenie impulsów.
- Mikroglej pełni funkcje obronne – uczestniczy w procesach obrony immunologicznej organizmu.Rodzaje neuronów:
- Neurony czuciowe (aferentne) przewodzą impulsy z receptorów do ośrodkowego układu nerwowego.
- Neurony ruchowe (eferentne) przekazują impulsy z ośrodkowego układu nerwowego do efektorów (mięśni i gruczołów).
- Neurony pośredniczące (interneurony) łączą neurony czuciowe i ruchowe.Potencjał spoczynkowy wynosi ok. –70 mV i utrzymywany jest dzięki pompie sodowo‑potasowej, która usuwa Na⁺ z neuronu i transportuje K⁺ do jego wnętrza.
Potencjał czynnościowy to gwałtowna zmiana ładunku błony, która przesuwa się wzdłuż aksonu jako impuls nerwowy.
Depolaryzacja następuje po zadziałaniu bodźca – kanały Na⁺ otwierają się, jony sodu napływają do komórki, a wnętrze neuronu staje się dodatnie.
Repolaryzacja polega na zamknięciu kanałów Na⁺ i otwarciu kanałów K⁺ – jony potasu wypływają na zewnątrz, przywracając ujemny potencjał.
Hiperpolaryzacja to krótkotrwały stan, w którym potencjał błony staje się bardziej ujemny niż spoczynkowy; po chwili wraca on do wartości wyjściowej.
Przekazywanie impulsów nerwowych pomiędzy komórkami odbywa się za pomocą specjalnych struktur nazywanych synapsami.
W synapsach chemicznych impuls przekazywany jest przez neuroprzekaźniki (np. acetylocholinę, dopaminę, GABA); przewodzenie jest jednokierunkowe.
W synapsach elektrycznych impuls przechodzi przez kanały jonowe (połączenia szczelinowe); przewodzenie jest dwukierunkowe i bardzo szybkie.
Neuroprzekaźniki pobudzające to m.in. acetylocholina, dopamina, noradrenalina, serotonina.
Neuroprzekaźniki hamujące to m.in. GABA.
Ćwiczenia utrwalające
Wróć do polecenia na stronie „Na dobry początek” i dopisz brakujące definicje. Pamiętaj, żeby nie kopiować słownika, ale wyjaśnić każde słowo kluczowe w miarę możliwości swoimi słowami.