Frage:
Wie erzeugen Gehirn und Nerven elektrische Impulse?
johnny1bucket
2011-12-15 20:27:37 UTC
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Die Informationen zwischen dem Gehirn und den peripheren Nerven werden über elektrische Impulse oder Signale gesendet. Wie schafft es dann eine nichtmetallische menschliche Zelle, ein elektrisches Signal zu leiten?

Um die Experten anzulocken, sollten wir wahrscheinlich so früh in der Beta breite und grundlegende Fragen vermeiden.
Diese Frage hat [eine Diskussion über Meta] ausgelöst (http://meta.biology.stackexchange.com/questions/17/should-we-encourange-the-relevant-questions-from-non-professionals).
Ich würde argumentieren, wenn jemand so "Experte" ist, dass er von einer solchen Frage verdrängt wird, dann gut befreit. Klar, du willst beim Thema bleiben, aber komm schon! Dies war eine großartige Frage und eine WIRKLICH informative und gut durchdachte Antwort. Ein bisschen weniger technisch als das Ideal? möglicherweise, aber das Schließen ist eine Überreaktion.
@Dr.Dredel siehe die Diskussion über Meta und Kommentar dort
Zwei antworten:
#1
+44
yamad
2011-12-15 23:26:25 UTC
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Das ist eine ziemlich große Frage! Ich werde versuchen, die Grundansicht zu skizzieren.

Lassen Sie uns zunächst überprüfen, wie Neuronen untereinander signalisieren. Die kanonische Möglichkeit für ein Neuron, ein Signal an ein nachgeschaltetes Neuron zu senden, besteht darin, ein Aktionspotential zu erzeugen, den "elektrischen Impuls", von dem Sie gehört haben. Dieses Aktionspotential bewirkt die Freisetzung von Neurotransmitter an einem Punkt, an dem die beiden Zellen sehr nahe beieinander liegen, was als Synapse bezeichnet wird. Die nachgeschaltete postsynaptische Zelle empfängt das Neurotransmittersignal und wandelt es in ein kleines elektrisches Signal um. Wenn genug dieser kleinen elektrischen Signale in kurzer Zeit auftreten, summieren sie sich und lösen wahrscheinlich ein Aktionspotential in der zweiten Zelle aus, und der Zyklus wiederholt sich entlang der gesamten Schaltung.

Wie wird das elektrische Signal erzeugt? ? Die Grundlagen, wie dies funktioniert, wurden 1952 von Hodgkin und Huxley am bekanntesten ausgearbeitet. Die Kurzgeschichte besagt, dass die Plasmamembran selektiv für Ionen durchlässig ist . Lassen Sie uns das Konzept von Grund auf aufbauen.

Die Toolbox

  1. Stellen Sie sich eine Kugel aus Plasmamembran vor, die ein einfaches Neuron darstellt. Für den Anfang nehmen wir an, dass diese Membran nacktes Lipid ohne membranassoziierte Proteine ​​ist. Aufgrund der Hydrophobizität der Doppelschicht können geladene Teilchen nicht durch die Membran diffundieren.

  2. Die Zelle wird innen und außen in eine Lösung getaucht, die viele Ionen (geladene Atome) enthält, einschließlich Natrium (Na +), Kalium (K +) ), Chlorid (Cl-) und Calcium (Ca2 +). Wie oben erwähnt, können diese Ionen nicht ohne "Hilfe" durch die Membran gelangen.

  3. Nun fügen wir der Membran ein Ionenpumpen -Protein hinzu, das dies tut Natriumionen herauspumpen und Kaliumionen hineinpumpen. Diese spezielle Pumpe, die Na-K-ATPase , erzeugt einen Überschuss an Natriumionen außerhalb der Zelle und einen Überschuss an Kaliumionen innerhalb der Zelle.

  4. Nun fügen wir der Membran einen Kalium -Ionenkanal hinzu. Dieses Protein erzeugt eine Pore in der Membran, die nur Kaliumionen durchlässt. Die Pore dieses speziellen Proteins ist immer offen. Jetzt wird es spannend ...

  5. Was machen die Kaliumionen jetzt, wo sie durch die Membran gelangen können? Ionen bewegen sich basierend auf den Kräften, die durch ihre elektrochemischen Gradienten erzeugt werden. Die Pumpe erzeugte einen chemischen Gradienten, indem sie überschüssiges K + hineinlegte, so dass die K + -Ionen durch die Ionenkanäle herausfließen. K + -Ionen sind jedoch positiv geladen. Wenn sie herausfließen, baut sich außen eine positive Ladung auf und innen eine negative Ladung. Dieser elektrische Gradient wirkt dem chemischen Gradienten entgegen und neigt dazu, die K + -Ionen in die Zelle zu ziehen, während der chemische Gradient K + -Ionen herauszieht. Der Zufluss und der Abfluss erreichen ein Gleichgewicht beim Nernst-Potential, wo sich die elektrischen und chemischen Kräfte ausgleichen. Für physiologische Konzentrationen von K + -Ionen beträgt das K + -Gleichgewichtspotential etwa -80 mV oder -90 mV. Dies bedeutet, dass K + -Ionen fließen, bis die Außenseite der Zelle 80-90 mV positiver ist als die Innenseite der Zelle. Wir haben bei 0 mV begonnen, daher fließen K + -Ionen meistens heraus.

  6. Wir haben jetzt ein Membranpotential , einen Unterschied im elektrischen Potential zwischen dem Inneren und dem außerhalb der Zelle bei etwa -80 mV (normalerweise näher an -70 mV oder -60 mV im "realen Leben"). Insbesondere ist dieses Membranpotential das Ruhepotential , das existiert, wenn die Zelle nicht aktiv ist. Wir können vorerst vereinfachen und uns vorstellen, dass das Ruhepotential durch eine Ruhepermeabilität der Membran für Kaliumionen, aber nicht für Natriumionen festgelegt wird. Wir nennen diese Membran polarisiert, und daher ist Depolarisation , wenn das Membranpotential positiver wird, und Hyperpolarisation , wenn das Membranpotential negativer wird.

  7. Nun fügen wir der Membran einen spannungsgesteuerten Natriumkanal hinzu, einen Ionenkanal, der nur Natriumionen durchlässt, aber normalerweise geschlossen ist. Durch die Spannungssteuerung ist dieser Ionenkanal empfindlich gegenüber dem Membranpotential. Beim Ruhepotential ist die Pore geschlossen und die Membran ist noch für Natriumionen undurchlässig. Wenn das Membranpotential etwas positiver wird, öffnen sich die Kanäle und Natriumionen können fließen. Dieser Kanal ist auch inaktivierend , sodass er beim Öffnen nur für kurze Zeit geöffnet wird und eine begrenzte Menge Natrium einlässt.

  8. Wie fließt Natrium, wenn wir diesen Kanal öffnen? Aufgrund des negativen Ruhepotentials (-70 mV) und des Überschusses an Natriumionen im Freien aufgrund der Pumpe treiben sowohl der elektrische als auch der chemische Gradient Natriumionen in die Zelle. Das Natriumgleichgewichtspotential liegt normalerweise bei +60 mV.

  9. Um die Maschinerie zur Erzeugung eines Aktionspotentials zu vervollständigen, fügen wir auch einen spannungsgesteuerten Kaliumkanal hinzu zur Membran. Es funktioniert genau wie der spannungsgesteuerte Natriumkanal, der auch in Ruhe geschlossen ist und sich öffnet, wenn das Membranpotential positiver wird. Dieser Kanal öffnet sich etwas langsamer als der Natriumkanal, wird jedoch nicht inaktiviert.

  10. ol>

    Erzeugen eines Aktionspotentials

    Ok, wie geht das? Diese Teile kommen zusammen, um einen elektrischen Impuls zu erzeugen.

    1. Die Zelle befindet sich auf ihrem Ruhemembranpotential, wobei alle spannungsgesteuerten Kanäle geschlossen sind. Es empfängt ein Signal von einer vorgeschalteten Zelle, das eine leichte Depolarisation verursacht. Das Aktionspotential wird ausgelöst, wenn das Membranpotential das Schwellenpotential erreicht.

    2. Beim Schwellenpotential öffnen sich die spannungsgesteuerten Natriumkanäle und lassen Natriumionen in die Zelle fließen. Der Natriumfluss zieht die Membran vom Ruhepotential (-70 mV) zum Natriumgleichgewichtspotential (+ 60 mV). Diese Werte liegen weit auseinander, so dass die treibende Kraft groß ist und die Membran schnell depolarisiert. Dies ist das Aktionspotential Aufwärtshub .

    3. Die Depolarisation aktiviert auch die (etwas langsameren) spannungsgesteuerten Kaliumkanäle. Die Kaliumionen fließen heraus und treiben die depolarisierte Membran (etwa + 20 mV am Aktionspotentialpeak) zurück in Richtung des Kaliumgleichgewichtspotentials (-80 mV). Gleichzeitig werden die Natriumkanäle inaktiviert, so dass Natrium die Membran nicht mehr depolarisiert. Die Repolarisationsrate ist normalerweise langsamer als die Depolarisationsrate. Dies ist das Aktionspotential Downstroke .

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    4. Neuron. Sobald die Zelle wieder Ruhepotentiale erreicht, wird die Membran grundsätzlich zurückgesetzt. Die spannungsgesteuerten Kanäle sind ausgeschaltet. Die Ionenpumpe bewegt die ausfließenden Kaliumionen und die einfließenden Natriumionen. Dieser Membranfleck ist bereit, ein weiteres Aktionspotential auszulösen!
    5. ol>

      Als letzte Anmerkung: Ich werde erwähnen, dass der spannungsgesteuerte Natriumkanal einen Mechanismus für das Aktionspotential bietet, um sich im Axon auszubreiten . Das Aktionspotential wird an einer Stelle der Zelle initiiert und erzeugt eine Depolarisation. Diese Depolarisation bewirkt, dass sich die spannungsgesteuerten Natriumkanäle in benachbarten Bereichen der Membran öffnen und einen eigenen Aktionspotentialzyklus erzeugen. Auf diese Weise wandert ein Aktionspotential über Axone (und manchmal auch über Dendriten).

Ordentliche Zusammenfassung zu einer breiten Frage! Auf welche Unterschiede beziehen Sie sich, wenn das Ruhepotential "im wirklichen Leben normalerweise näher an -70 mV oder -60 mV liegt"? Variiert es auch nicht zwischen den Zellen?
In der obigen Antwort vereinfache ich und sage, dass das Ruhemembranpotential * das Kaliumgleichgewichtspotential ist. Dies ist im Allgemeinen nicht der Fall, da die meisten Ruhepotentiale etwas positiver sitzen, was auf die Beteiligung von mehr Ionen / Kanälen als nur Kalium hinweist. Ja, die Ruhepotentiale variieren zwischen den Zellen. Ich nehme -70mV oder -60mV als "Faustregel" -Rastpotential, da es im Allgemeinen für viele primäre exzitatorische Neuronen wie Hippocampus- und kortikale Pyramiden-Neuronen gilt.
Das ist sehr interessant, aber ich frage mich wirklich, wann Sie "wir fügen" schreiben, was bedeutet das? Gibt es einige helfende Zellen, die den Neuronen die benötigten Ionen geben? Wird es irgendwie übertragen, wie das neuronale Signal geht (während der Impulse)? Oder werden die Nährstoffe nur wie Hormone in die Liquor cerebrospinalis freigesetzt?
@Probably Ich baue in der Antwort ein vereinfachtes Modell eines Neurons. Wenn ich "wir fügen hinzu" sage, meine ich "füge dies deinem mentalen Modell der Teile des Systems hinzu".
Ja, ich verstehe, danke, ich habe nur mehr in die Tiefe gefragt. Zum Glück habe ich diese Frage bereits gestellt und diese gute Antwort hier erhalten: http://biology.stackexchange.com/questions/37317/how-do-neurons-receive-the-ions-needed-for-creating-electrical- Impulse
#2
+18
Alexander Galkin
2011-12-15 21:55:44 UTC
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Lassen Sie uns also einige Schlüsselwörter einführen.

Der "elektrische Impuls", der "zwischen Gehirn und Nerven gesendet wird", wird als Aktionspotential (AP) bezeichnet. Dies wird dann entlang einer Nervenfaser bis zum Zielorgan vermehrt.

Grundsätzlich hat eine neuronale Zelle einen Körper und mehrere lange ausgedehnte Strukturen, die aus dem Zellkörper "sprießen". Dendriten empfangen Signale von anderen Zellen und übertragen Signale zum Zellkörper, indem sie kleine elektrische Ströme erzeugen. Das Axon ist ein einzelner "Spross", der normalerweise viel dünner und länger als die Dendriten ist und Aktionspotentiale aus der Nähe des Zellkörpers auf Zielzellen und Organe überträgt. Einige Axone können bis zu 80-90 cm lang sein (stellen Sie sich vor!)! An der Stelle, an der Axon den Nervenzellkörper verlässt, befindet sich ein kleiner Vorsprung, der als Axonhügel bezeichnet wird.

Der AP stammt aus einem speziellen Teil des Axons, der als Axon bezeichnet wird Anfangssegment (AIS) . Das anfängliche Segment ist der erste Teil des Axons, wenn es den Zellkörper verlässt und unmittelbar nach dem Axonhügel sitzt.

Der elektrische Impuls ist die kurze elektrische Entladung, die als plötzliche Bewegung vieler angesehen werden kann geladene Teilchen von einem Ort zum anderen. In unseren Zellen haben wir Ionen von Na + (Natrium), K + (Kalium) und Cl - (Chlorid) (und in einigen Fällen) auch Ca 2+), die diese geladenen Teilchen bilden.

Es gibt zwei Arten von Antriebskräften für diese Partikel: Neben dem Potentialgradienten , z. Der Unterschied in der Gesamtladung an zwei verschiedenen Stellen gibt es auch eine andere Kraft, die als Konzentrationsgradient bezeichnet wird, z. der Konzentrationsunterschied an zwei verschiedenen Stellen. Diese Kraft kann in entgegengesetzte Richtungen weisen, und durch Ausnutzung einer Kraft (sagen wir Konzentrationsgradient) können wir eine andere beeinflussen.

Was wir hier wieder brauchen, ist eine sogenannte semipermeable Membran , dies ist nur eine Barriere für Ionen, aber nur für bestimmte. Wir brauchen dies, weil unsere Hauptionen - Na sup> + sup> und K + sup> - beide positiv geladen sind. Daher wirkt die Zellmembran als semipermeable Membran, die K + in die Zellen und Ca 2+ -Ionen nach außen lässt, aber nicht das Gegenteil. Daher haben wir zwei Konzentrationsgradienten : Na sup> + sup> (außen ist der Peak) und K + sup> (innen ist der Peak).

Um den Puls zu starten, müssen wir eine massive Ionendrift von einem Ort zum anderen auslösen. Dies wird von der Zelle durchgeführt, und das erste Ereignis hier ist die drastische Änderung (Erhöhung) der Permeabilität für Na + -Ionen. Na sup> + sup> -Ionen treten massiv in die Zelle ein und ihre Ladungen, die in die Zelle bewegt werden, bilden den Aufschlag des Aktionspotentials .

Der Schutzmechanismus der Zelle wirkt sofort gegen die Na sup> -Invasion und öffnet die Reserve-Shunts - die K sup> + sup> -Kanäle. K + sup> verlässt die Zelle und nimmt etwas Ladung weg. Dies zeigt sich als Zerfall des Aktionspotentials. Aber Kaliumkanäle sind im Allgemeinen langsamer, deshalb ist der Abfall des Pulses gleichmäßiger und nicht so scharf wie der Aufschlag.

Sie fragen sich jetzt vielleicht: Was löst dann die schnelle Änderung der Membranpermeabilität aus? Hier gibt es mehrere Faktoren, die zu diesem Prozess beitragen können.

  1. Mögliche Änderung der Membran. Natrium- und Kaliumkanäle sind spannungsempfindlich , dh wenn Sie es schaffen, das Ruhepotential der Membran zu ändern, das aufgrund von Konzentrationsgradienten gebildet wird und normalerweise etwa -90 ..- 80 mV (Millivolt) bis zu beträgt Bei etwa -40 mV werden die Natriumkanäle ausgelöst. Auf diese Weise breitet sich der Impuls aus - da er an einer Stelle entstanden ist, verringert er nur das Ruhepotential des angrenzenden Membranbereichs, Natrium tritt dort in die Zelle ein und der AP wandert entlang des Nervs. Das AIS ist der Ort der AP-Initiierung, da dieser Teil der Zelle eine sehr hohe Dichte an spannungsgesteuerten Natriumkanälen aufweist.

  2. Chemische Wirkstoffe, sogenannte Neurotransmitter, können durch nachgewiesen werden Rezeptoren auf der Zellmembran. Einige dieser Rezeptoren sind selbst Ionenkanäle und öffnen sich direkt, wenn der Neurotransmitter gebunden ist. Andere Rezeptoren wirken durch intrazelluläre Signale, um Ionenkanäle zu öffnen. So erscheint das Signal an den Stellen der Nervenzellkontakte - Neurotransmitter wie Acetylcholin oder Adrenalin wirken hier nur als Auslöser für die Membranpermeabilität.

  3. ol>
Schöne Übersicht, aber ich wollte ein paar Klarstellungen erwähnen. Meinst du * Axon Hillock * statt * Axonic Hill *? Außerdem findet im Axon-Anfangssegment (etwas weiter entlang des Axons als auf dem Hügel) tatsächlich eine AP-Initiierung statt. Dendriten sind kürzer, haben aber normalerweise einen größeren Durchmesser als Axone. Ich würde das Wort * Neurotransmitter * anstelle von * Mediatoren * verwenden.
@yamad: Sie haben absolut Recht! Fühlen Sie sich einfach frei, meinen Beitrag zu bearbeiten. Ich bin kein Muttersprachler und habe seit einiger Zeit nichts mehr über Biologie geschrieben, daher kann mein Wortschatz rostig und ungenau sein. Vielen Dank für Ihre Korrekturen!
Kein Problem! Sie sprechen / schreiben Englisch besser als die meisten englischen Muttersprachler. Ich habe gerade einige wesentliche Änderungen vorgenommen, um die Dinge klarer zu machen. Ich hoffe es hilft.
Vielen Dank für Ihre warmen Worte! Normalerweise gehe ich meine Beiträge am nächsten Tag durch, um sie zu verbessern. Ich werde Ihre Anmerkungen bald integrieren.


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