Η λειτουργία των οργάνων και των ιστών του σώματός μας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Ορισμένα κύτταρα (καρδιομυοκύτταρα και νεύρα) εξαρτώνται από τη μετάδοση των νευρικών ερεθισμάτων που παράγονται σε ειδικά κυτταρικά συστατικά ή κόμβους. Η βάση της νευρικής ώθησης είναι ο σχηματισμός ενός συγκεκριμένου κύματος διέγερσης, που ονομάζεται δυναμικό δράσης.
Τι είναι αυτό;
Το δυναμικό δράσης ονομάζεται συνήθως κύμα διέγερσης που κινείται από κύτταρο σε κύτταρο. Λόγω του σχηματισμού και της διέλευσης της μέσω των κυτταρικών μεμβρανών, συμβαίνει μια βραχυπρόθεσμη αλλαγή στο φορτίο τους (κανονικά, η εσωτερική πλευρά της μεμβράνης είναι αρνητικά φορτισμένη και η εξωτερική πλευρά είναι θετικά φορτισμένη). Το παραγόμενο κύμα συμβάλλει στην αλλαγή των ιδιοτήτων των καναλιών ιόντων του κυττάρου, γεγονός που οδηγεί στην επαναφόρτιση της μεμβράνης. Τη στιγμή που το δυναμικό δράσης διέρχεται από τη μεμβράνη, υπάρχει μια βραχυπρόθεσμη αλλαγή στο φορτίο της, η οποία οδηγεί σε αλλαγή στις ιδιότητες του κυττάρου.
Ο σχηματισμός αυτού του κύματος αποτελεί τη βάση της λειτουργίας της νευρικής ίνας, καθώς και του συστήματος των μονοπατιών της καρδιάς.
Όταν διαταράσσεται ο σχηματισμός του, αναπτύσσονται πολλές ασθένειες, γεγονός που καθιστά απαραίτητο τον προσδιορισμό του δυναμικού δράσης σεένα σύμπλεγμα διαγνωστικών και θεραπευτικών μέτρων.
Πώς σχηματίζεται ένα δυναμικό δράσης και τι είναι το χαρακτηριστικό του;
Ιστορικό έρευνας
Η μελέτη της εμφάνισης διέγερσης σε κύτταρα και ίνες ξεκίνησε εδώ και πολύ καιρό. Οι πρώτοι που παρατήρησαν την εμφάνισή του ήταν βιολόγοι που μελέτησαν τις επιδράσεις διαφόρων ερεθισμάτων στο εκτεθειμένο κνημιαίο νεύρο του βατράχου. Παρατήρησαν ότι όταν εκτέθηκαν σε συμπυκνωμένο διάλυμα επιτραπέζιου αλατιού, παρατηρήθηκε συστολή των μυών.
Στο μέλλον, η έρευνα συνεχίστηκε από νευρολόγους, αλλά η κύρια επιστήμη μετά τη φυσική που μελετά το δυναμικό δράσης είναι η φυσιολογία. Οι φυσιολόγοι ήταν αυτοί που απέδειξαν την ύπαρξη δυναμικού δράσης στα καρδιακά κύτταρα και τα νεύρα.
Καθώς εμβαθύναμε στη μελέτη των δυνατοτήτων, αποδείχθηκε επίσης η παρουσία του δυναμικού ηρεμίας.
Από τις αρχές του 19ου αιώνα, άρχισαν να δημιουργούνται μέθοδοι για την ανίχνευση της παρουσίας αυτών των δυνατοτήτων και τη μέτρηση του μεγέθους τους. Επί του παρόντος, η στερέωση και η μελέτη των δυναμικών δράσης πραγματοποιείται σε δύο οργανικές μελέτες - την αφαίρεση ηλεκτροκαρδιογραφημάτων και ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων.
Μηχανισμός δυναμικού δράσης
Ο σχηματισμός διέγερσης συμβαίνει λόγω αλλαγών στην ενδοκυτταρική συγκέντρωση ιόντων νατρίου και καλίου. Κανονικά, το κύτταρο περιέχει περισσότερο κάλιο από νάτριο. Η εξωκυτταρική συγκέντρωση ιόντων νατρίου είναι πολύ υψηλότερη από ό,τι στο κυτταρόπλασμα. Οι αλλαγές που προκαλούνται από το δυναμικό δράσης συμβάλλουν σε αλλαγή του φορτίου στη μεμβράνη, με αποτέλεσμα τη ροή ιόντων νατρίου στο κύτταρο. Εξαιτίας αυτούτα φορτία έξω και μέσα στο κύτταρο αλλάζουν (το κυτταρόπλασμα φορτίζεται θετικά και το εξωτερικό περιβάλλον φορτίζεται αρνητικά.
Αυτό γίνεται για να διευκολυνθεί η διέλευση του κύματος μέσα από το κελί.
Αφού το κύμα μεταδοθεί μέσω της σύναψης, το φορτίο αντιστρέφεται λόγω του ρεύματος εντός του κυττάρου αρνητικά φορτισμένων ιόντων χλωρίου. Τα αρχικά επίπεδα φόρτισης εκτός και εντός της κυψέλης αποκαθίστανται, γεγονός που οδηγεί στο σχηματισμό ενός δυναμικού ηρεμίας.
Οι περίοδοι ξεκούρασης και ενθουσιασμού εναλλάσσονται. Σε ένα παθολογικό κύτταρο, όλα μπορούν να συμβούν διαφορετικά και ο σχηματισμός του AP εκεί θα υπακούει σε κάπως διαφορετικούς νόμους.
Φάσεις PD
Η πορεία ενός δυναμικού δράσης μπορεί να χωριστεί σε διάφορες φάσεις.
Η πρώτη φάση προχωρά έως ότου σχηματιστεί ένα κρίσιμο επίπεδο εκπόλωσης (ένα δυναμικό δράσης διέλευσης διεγείρει μια αργή εκφόρτιση της μεμβράνης, η οποία φτάνει σε ένα μέγιστο επίπεδο, συνήθως γύρω στα -90 meV). Αυτή η φάση ονομάζεται prespike. Διενεργείται λόγω της εισόδου ιόντων νατρίου στο κύτταρο.
Η επόμενη φάση, το μέγιστο δυναμικό (ή ακίδα), σχηματίζει μια παραβολή με οξεία γωνία, όπου το ανιόν τμήμα του δυναμικού σημαίνει εκπόλωση της μεμβράνης (γρήγορη) και το κατερχόμενο μέρος σημαίνει επαναπόλωση.
Τρίτη φάση - αρνητικό δυναμικό ίχνους - δείχνει αποπόλωση ίχνους (μετάβαση από την κορυφή της αποπόλωσης στην κατάσταση ηρεμίας). Προκαλείται από την είσοδο ιόντων χλωρίου στο κύτταρο.
Στο τέταρτο στάδιο, η φάση του θετικούίχνος δυναμικού, τα επίπεδα φόρτισης της μεμβράνης επιστρέφουν στο αρχικό.
Αυτές οι φάσεις που καθορίζονται από το δυναμικό δράσης ακολουθούν αυστηρά η μία μετά την άλλη.
Συναρτήσεις δυναμικού δράσης
Αναμφίβολα, η ανάπτυξη του δυναμικού δράσης είναι σημαντική για τη λειτουργία ορισμένων κυττάρων. Η διέγερση παίζει σημαντικό ρόλο στο έργο της καρδιάς. Χωρίς αυτό, η καρδιά θα ήταν απλώς ένα ανενεργό όργανο, αλλά λόγω της διάδοσης του κύματος σε όλα τα κύτταρα της καρδιάς, συστέλλεται, κάτι που βοηθά στην ώθηση του αίματος μέσω του αγγειακού στρώματος, εμπλουτίζοντας με αυτό όλους τους ιστούς και τα όργανα.
Το νευρικό σύστημα επίσης δεν μπορούσε κανονικά να εκτελέσει τη λειτουργία του χωρίς δυναμικό δράσης. Τα όργανα δεν μπορούσαν να λάβουν σήματα για να εκτελέσουν μια συγκεκριμένη λειτουργία, με αποτέλεσμα απλώς να είναι άχρηστα. Επιπλέον, η βελτίωση στη μετάδοση μιας νευρικής ώθησης στις νευρικές ίνες (εμφάνιση μυελίνης και παρεμβολές του Ranvier) κατέστησε δυνατή τη μετάδοση ενός σήματος σε κλάσματα του δευτερολέπτου, γεγονός που οδήγησε στην ανάπτυξη αντανακλαστικών και συνειδητής κινήσεις.
Εκτός από αυτά τα συστήματα οργάνων, το δυναμικό δράσης σχηματίζεται επίσης σε πολλά άλλα κύτταρα, αλλά σε αυτά παίζει ρόλο μόνο στην εκτέλεση των συγκεκριμένων λειτουργιών του κυττάρου.
Αύξηση ενός δυναμικού δράσης στην καρδιά
Το κύριο όργανο του οποίου η εργασία βασίζεται στην αρχή του σχηματισμού δυναμικού δράσης είναι η καρδιά. Λόγω της ύπαρξης κόμβων για το σχηματισμό παρορμήσεων, πραγματοποιείται το έργο αυτού του οργάνου, η λειτουργία του οποίου είναι η παροχή αίματος στους ιστούς καιαρχές.
Το δυναμικό δράσης στην καρδιά δημιουργείται στον φλεβόκομβο. Βρίσκεται στη συμβολή της κοίλης φλέβας στον δεξιό κόλπο. Από εκεί, η ώθηση διαδίδεται κατά μήκος των ινών του συστήματος αγωγιμότητας της καρδιάς - από τον κόμβο στην κολποκοιλιακή συμβολή. Περνώντας κατά μήκος της δέσμης του His, πιο συγκεκριμένα, κατά μήκος των ποδιών της, η ώθηση περνά στη δεξιά και αριστερή κοιλία. Στο πάχος τους υπάρχουν μικρότερα μονοπάτια - οι ίνες Purkinje, μέσω των οποίων η διέγερση φτάνει σε κάθε κύτταρο της καρδιάς.
Το δυναμικό δράσης των καρδιομυοκυττάρων είναι σύνθετο, δηλ. εξαρτάται από τη συστολή όλων των κυττάρων του καρδιακού ιστού. Με την παρουσία μπλοκ (ουλή μετά από καρδιακή προσβολή), διαταράσσεται ο σχηματισμός δυναμικού δράσης, το οποίο καταγράφεται στο ηλεκτροκαρδιογράφημα.
Νευρικό σύστημα
Πώς σχηματίζεται η PD στους νευρώνες - κύτταρα του νευρικού συστήματος. Όλα γίνονται λίγο πιο εύκολα εδώ.
Η εξωτερική ώθηση γίνεται αντιληπτή από αποφύσεις νευρικών κυττάρων - δενδρίτες που σχετίζονται με υποδοχείς που βρίσκονται τόσο στο δέρμα όσο και σε όλους τους άλλους ιστούς (το δυναμικό ηρεμίας και το δυναμικό δράσης αντικαθιστούν επίσης το ένα το άλλο). Ο ερεθισμός προκαλεί το σχηματισμό ενός δυναμικού δράσης σε αυτά, μετά το οποίο η ώθηση περνά από το σώμα του νευρικού κυττάρου στη μακρά διαδικασία του - τον άξονα, και από αυτό μέσω των συνάψεων σε άλλα κύτταρα. Έτσι, το παραγόμενο κύμα διέγερσης φτάνει στον εγκέφαλο.
Ένα χαρακτηριστικό του νευρικού συστήματος είναι η παρουσία δύο τύπων ινών - καλυμμένων με μυελίνη και χωρίς αυτήν. Η εμφάνιση δυναμικού δράσης και η μετάδοσή του σε εκείνες τις ίνες όπου υπάρχει μυελίνη,πραγματοποιείται πολύ πιο γρήγορα από ότι σε απομυελινωμένα.
Αυτό το φαινόμενο παρατηρείται λόγω του γεγονότος ότι η διάδοση του AP κατά μήκος των μυελινωμένων ινών συμβαίνει λόγω "άλματα" - η ώθηση πηδά πάνω από τα τμήματα μυελίνης, γεγονός που, ως αποτέλεσμα, μειώνει την πορεία του και, κατά συνέπεια, επιταχύνει η διάδοσή του.
Δυνατότητα ανάπαυσης
Χωρίς την ανάπτυξη του δυναμικού ανάπαυσης, δεν θα υπήρχε δυνατότητα δράσης. Το δυναμικό ηρεμίας νοείται ως η κανονική, μη διεγερμένη κατάσταση του κυττάρου, στην οποία τα φορτία μέσα και έξω από τη μεμβράνη του είναι σημαντικά διαφορετικά (δηλαδή, η μεμβράνη είναι θετικά φορτισμένη έξω και αρνητικά φορτισμένη μέσα). Το δυναμικό ηρεμίας δείχνει τη διαφορά μεταξύ των φορτίων εντός και εκτός της κυψέλης. Κανονικά, κυμαίνεται από -50 έως -110 meV. Στις νευρικές ίνες, αυτή η τιμή είναι συνήθως -70 meV.
Οφείλεται στη μετανάστευση ιόντων χλωρίου στο κύτταρο και στη δημιουργία αρνητικού φορτίου στο εσωτερικό της μεμβράνης.
Όταν αλλάζει η συγκέντρωση των ενδοκυτταρικών ιόντων (όπως αναφέρθηκε παραπάνω), το PP αντικαθιστά το PD.
Κανονικά, όλα τα κύτταρα του σώματος βρίσκονται σε μη διεγερμένη κατάσταση, επομένως η αλλαγή των δυνατοτήτων μπορεί να θεωρηθεί μια φυσιολογικά απαραίτητη διαδικασία, αφού χωρίς αυτά το καρδιαγγειακό και το νευρικό σύστημα δεν θα μπορούσαν να πραγματοποιήσουν τις δραστηριότητές τους.
Σημασία της έρευνας για τις δυνατότητες ανάπαυσης και δράσης
Η δυνατότητα ανάπαυσης και η δυνατότητα δράσης σάς επιτρέπουν να προσδιορίσετε την κατάσταση του σώματος, καθώς και των μεμονωμένων οργάνων.
Η στερέωση του δυναμικού δράσης από την καρδιά (ηλεκτροκαρδιογραφία) επιτρέπεικαθορίζει την κατάστασή του, καθώς και τη λειτουργική ικανότητα όλων των τμημάτων του. Εάν μελετήσετε ένα φυσιολογικό ΗΚΓ, μπορείτε να δείτε ότι όλα τα δόντια σε αυτό είναι μια εκδήλωση του δυναμικού δράσης και του επακόλουθου δυναμικού ηρεμίας (αντίστοιχα, η εμφάνιση αυτών των δυναμικών στους κόλπους εμφανίζει το κύμα P και την εξάπλωση της διέγερσης σε οι κοιλίες - το κύμα R).
Όσον αφορά το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα, η εμφάνιση διάφορων κυμάτων και ρυθμών σε αυτό (ιδίως κυμάτων άλφα και βήτα σε ένα υγιές άτομο) οφείλεται επίσης στην εμφάνιση δυναμικών δράσης στους εγκεφαλικούς νευρώνες.
Αυτές οι μελέτες επιτρέπουν την έγκαιρη ανίχνευση της ανάπτυξης μιας συγκεκριμένης παθολογικής διαδικασίας και καθορίζουν σχεδόν το 50 τοις εκατό της επιτυχούς θεραπείας της αρχικής νόσου.
