Sinh lý thần kinh và hưng phấn

 

1. Điện thế nghỉ và điện thế hoạt động

1.1. Điện thế nghỉ

- Định nghĩa

Khi tế bào ở trạng thái nghỉ, điện thế mặt trong màng có trị số âm so với mặt ngoài, điện thế này được gọi là điện thế nghỉ của màng (hay điện thế màng lúc nghỉ - Resting membrane potential).

Trị số điện thế nghỉ của màng tế bào khác nhau tùy thuộc vào loại tế bào: Ở thân nơron là -65mV, ở sợi thần kinh lớn và sợi cơ vân là -90mV, ở một số sợi thần kinh nhỏ là -60 đến -40mV. Nếu điện thế màng bớt âm hơn thì màng dễ bị kích thích hơn. Nếu điện thế màng âm hơn (ưu phân cực) thì màng khó bị kích thích hơn. Đây là cơ sở của hai hình thức hoạt động của nơron là hưng phấn hay ức chế.

- Sự chênh lệch nồng độ ion giữa hai bên màng

Sự chênh lệch nồng độ ion giữa hai bên màng có liên quan chặt chẽ với điện thế nghỉ.

Bảng 2.2. Điện thế nghỉ hai bên màng tế bào

Ion	Dịch ngoại bào	Dịch nội bào	Điện thế khuếch tán (Điện thế Nernst)
[Na+]	142 mEq/l	14 mEq/l	+61mV
[K+]	4 mEq/l	140 mEq/l	-94mV
[Cl-]	103 mEq/l	4 mEq/l	-70mV

 

Do có sự chênh lệch nồng độ giữa hai bên màng mà ion có xu hướng khuếch tán từ nơi nồng độ cao đến nơi nồng độ thấp (theo chiều bậc thang nồng độ). Ví dụ: Ion natri có xu hướng khuếch tán từ ngoài vào trong màng, còn ion kali lại có xu hướng khuếch tán từ trong ra ngoài màng (hình 9).

Điện thế màng do sự khuếch tán của một ion qua màng gọi là điện thế khuếch tán (hay điện thế Nernst) của ion đó. Điện thế Nernet được tính theo phương trình Nernst như sau:

Điện thế Nernst (mV)

Trong đó:         C_i là nồng độ ion ở trong màng tế bào

C₀ là nồng độ ion ở ngoài màng tế bào

Khi dùng công thức này, ta giả định rằng màng chỉ rất thấm với một loại ion, điện thế ngoài màng luôn bằng 0 và điện thế Nernst là điện thế bên trong màng. Dấu của điện thế là (+) nếu ion (-) và dấu của điện thế là (-) nếu ion (+) khuếch tán qua màng.

Trong cùng một thời điểm có nhiều ion khác nhau khuếch tán qua màng và tính thấm của màng cũng khác nhau đối với mỗi loại ion. Vì vậy: Khi màng thấm nhiều loại ion khác nhau cùng một lúc thì điện thế khuếch tán phụ thuộc vào ba yếu tố là:

- Dấu của điện tích ion, (2) tính thấm của màng đối với mỗi ion, (3) nồng độ của ion đó ở trong và ngoài màng.

Vì thế, để tính điện thế khuếch tán khi màng thấm nhiều loại ion khác nhau phải dùng phương trình Goldman (Goldman – Hodkin – Katz), phương trình này có tính đến cả 3 yếu tố trên.

-  Các nguyên nhân gây ra điện thế nghỉ (điện thế màng lúc nghỉ)

Ở trạng thái nghỉ, sở dĩ mặt trong có trị số âm hơn so với mặt ngoài là so sự chênh lệch nồng độ ion giữa hai bên màng. Có ba nguyên nhân gây ra sự chênh lệch này, đó là: (1) sự rò rỉ ion qua màng, (2) bơm Na⁺ - K⁺ ATPase và (3) ion âm kích thước lớn trong tế bào.

- Sự rò rỉ ion qua màng (khuếch tán qua màng)

Trên màng có các kênh protein cho các ion đặc hiệu thấm qua. Ở trạng thái nghỉ cổng của các kênh này luôn đóng, nhưng không đóng chặt hoàn toàn nên các ion có thể rò rỉ qua kênh, còn gọi là rò rỉ qua màng. Mức độ rò rỉ qua màng của từng loại ion không giống nhau và phụ thuộc vào mức độ đóng chặt kênh của mỗi loại ion. Điện thế được tạo ra do sự rò rỉ ion được gọi là điện thế khuếch tán.

Điện thế do khuếch tán ion kali: Tỷ lệ nồng độ ion kali bên trong/ion kali bên ngoài màng =35 nên log[35] = 1,54 và điện thế Nernst của ion kali =-94mV.

Điện thế do khuếch tán ion natri: Tỷ lệ nồng độ ion natri bên trong/ion natri bên ngoài màng =0,1 nên log[0,1] = -1 và điện thế Nernst của ion natri = +61mV.

Do tính thấm của màng đối với ion kali cao hơn đối với ion natri 100m lần, nên phần đóng góp cho điện thế nghỉ của ion kali cao hơn đối với ion natri.

Dựa vào phương trình Goldman tính được điện thế khuếch tán của cả hai ion natri và kali là - 86mV.

+ Bơm Na⁺ - K – ATPase

Đây là nguyên nhân chính tại điện thế nghỉ của màng, vì bơm Na⁺ - K⁺ - ATPase hoạt động liên tục, vận chuyển tích cực Na⁺ và K⁺ qua màng. Mỗi chu kỳ hoạt động bơm đưa 3 Na⁺ đi ra ngoài 2K⁺ vào trong tế bào, tức là tạo ra thiếu hụt ion dương ở bên trong màng. Phần điện thế âm bên trong màng do bơm Na⁺ - K⁺ - ATPase tạo ra là -4mV.

Từ các số liệu trên cho thấy do cả ba nguyên nhân là điện thế do khuếch tán ion kali, điện thế do khuếch tán ion natri, điện thế do hoạt động của bơm Na⁺ - K⁺ - ATPase tạo nên điện thế màng lúc nghỉ là -90mV ở màng tế bào cơ tim, cơ vân, sợi trục lớn của tế bào thần kinh…

Ở một số loại tế bào khác, như sợi thần kinh đường kính nhỏ, tế bào cơ trơn và nhiều loại nơron thần kinh có điện thế màng chỉ từ - 40mV đến - 60mV.

+ Ion âm có kích thước lớn trong tế bào

Ngoài hai nguyên nhân trên, trong tế bào có các ion âm do có kích thước lớn nên không qua được màng tế bào ra ngoài (phân tử protein, phosphat…). Những ion này cũng góp phần làm cho điện thế bên trong màng âm hơn so với bên ngoài.

1.2. Điện thế hoạt động (Action Potential)

1.2.1. Định nghĩa

Điện thế hoạt động là những thay đổi điện thế nhanh, đột ngột mỗi khi màng bị kích thích.Những tín hiệu thần kinh được dẫn truyền bằng các điện thế hoạt động này.

1.2.2. Các giai đoạn của điện thế hoạt động

+) Giai đoạn khử cực:

Khi màng bị kích thích thì tính thấm của màng đối với Na⁺ tăng rất cao, các kênh natri mở ra, các Na⁺ đi vào bên trong tế bào, trạng thái cực hóa bị mất, điện thế màng trở nên bớt âm hơn. Khi điện thế tăng lên đến – 70mV (hoặc tới – 50mV tùy từng cơ quan) thì gây mở đột ngột cổng hoạt hóa của kênh natri, các Na⁺ ùa qua kênh vào trong tế bào. Lúc này, tính thấm của màng đốim với Na⁺ tăng 500 – 5000 lần. Na⁺ vào trong tế bào làm điện thế từ -90mV tăng lên 0mV. Hiện tượng này được gọi là khử cực (depolarization), tức là khử bỏ trạng thái cực hóa. Ở các sợi thần kinh lớn hoặc các sợi cơ vân, điện thế còn đạt trị số (+) gọi là hiện tượng “quá đà”). Ở các sợi thần kinh nhỏ và nhiều nơron của hệ thấn kinh điện thế đỉnh hiếm khi tăng lên đến 0mV và không bao giờ đạt trị số (+). Trạng thái này kéo dài vài phần vạn giây.

+) Giai đoạn tái cực:

Vài phần vạn giây sau khi màng tăng vọt tính thấm với Na⁺ thì kênh natri bắt đầu đóng lại. Lúc này, kênh kali mở rộng ra,  thì kênh natri bắt đầu đóng lại. Lúc này, kênh kali mở rộng ra, K⁺ khuếch tán ra ngoài, làm mặt trong màng bớt dương hơn, rồi lại trở nên âm hơn mặt ngoài như trong trạng thái nghỉ. Vì vậy, giai đoạn này được gọi là giai đoạn tái cực (repolarization) và điện thế nghỉ của màng được tái tạo lại với trị số - 90mV. Giai đoạn này cũng kéo dài và phần vạn giây (dài hơn giai đoạn khử cực bì kênh K⁺ mở từ từ hơn).

+) Giai đoạn ưu phân cực:

Do sự mở các kênh kali chậm hơn và vẫn tiếp tục mở trong vài miligiây sau khi điện thế hoạt động chấm dứt, nên sau giai đoạn tái cực điện thế màng không chỉ trở về mức điện thế lúc nghỉ (-90mV) mà còn âm hơn nữa (có thể tới khoảng -100mV), sau đó mới trở về bình thường. Vì vậy, giai đoạn này được gọi là giai đoạn ưu phân cực .

1.2.3. Nguyên nhân của điện thế hoạt động

Nguyên nhân của điện thế hoạt động là sự thay đổi hoạt động của các kênh ion, trong đó có vai trò của kênh natri, kênh kali và một vài kênh khác.

+) Sự hoạt hóa kênh natri

Kênh natri có hai cổng ở hai đầu kênh, cổng ở phía ngoài màng là cổng hoạt hóa, cổng ở phía trong màng là cổng khử hoạt.

- Ở trạng thái bình thường, điện thế màng lúc nghỉ là -90mV, cổng hoạt hóa ở bên ngoài đóng nên ion natri không vào bên trong màng được, còn cổng khử hoạt ở bên trong màng thì mở.

- Kênh natri được hoạt hóa khi màng bị kích thích: Khi điện thế màng tăng lên từ -90mV đến -70mV (hoặc tới -50mV tùy loại tế bào ở từng cơ quan) thì gây biến đổi đột ngột hình dáng cổng hoạt hóa của kênh natri, cổng hoạt hóa mở ra, các ion natri ùa qua kênh vào trong tế bào. Lúc này, tính thấm của màng đối với ion natri tăng 500 – 5000 lần. Trạng thái này kéo dài vài phần vạn giây.

- Khử hoạt kênh natri: Sự tăng điện thế bên trong màng làm mở cổng hoạt hóa, nhưng đồng thời cũng làm đóng cổng khử hoạt. Việc đóng cổng khử hoạt xảy ra ngay sau khi mở cổng hoạt hóa, chỉ sau vài phần vạn giây. Điều kiện đáng chú ý là việc mở cổng hoạt hóa diễn ra rất nhanh, còn đóng cổng khử hoạt thì xảy ra từ từ. Khi cổng khử hoạt của kênh natri đóng lại, ion natri không tiếp tục vào tế bào được nữa.

+) Sự hoạt hóa kênh kali

Kênh kali cũng là loại kênh có cổng đóng mở do điện thế. Nhưng kênh kali khác kênh natri ở chỗ là chỉ có một cổng đóng mở ở bên trong màng, đó là cổng hoạt hóa, mà không có cổng khử họat như ở kênh natri. Ở trạng thái nghỉ, cổng của kêng kali đóng, ion kali không ra ngoài màng được. Khi điện thế màng tăng từ -90mV lên phía 0mV thì làm biến đổi hình dạng của cổng, cổng mở từ từ và ion kali khuếch tán qua kênh ra ngoài tế bào. Thời gian mở kênh kali và K⁺ khuếch tán ra ngoài trùng với thời gian giảm tốc độ khuếch tán của ion natri vào trong tế bào. Giai đoạn này cũng kéo dài trong vài phần vạn giây (dài hơn so với giai đoạn khử cực vì kênh kali mở từ từ và đóng lại cũng chậm hơn). Kết quả là điện thế nghỉ được phục hồi.

Ngoài kênh natri và kênh kali tạo điện thế hoạt động còn có vai trò của một số kênh ion khác, đặc biệt là kênh calci (còn gọi là kênh calci – natri hay kênh chậm). Ở tế bào cơ tim và cơ trơn, các kênh calci đóng vai trò quan trọng trong tạo điện thế hoạt động.

1.2.4. Sự phát sinh điện thế hoạt động

Một feedback dương mở kênh natri: Bình thường, điện thế màng ở cơ tim, cơ vân, sợi thần kinh to là -90mV. Khi có một kích thích nào đó làm điện thế màng tăng đôi chút hướng về phía 0mV thì làm mở một số kênh natri, Na⁺ vào trong màng làm cho điện thế màng tăng lên. Điện thế màng tăng lên lại làm mở thêm các kênh natri khác. Đây là một feedback dương làm cho các kênh natri trong khoảnh khắc rất ngắn đã mở hoàn toàn (hoạt hóa hoàn toàn) tạo ra điện thế hoạt động. Tiếp sau đó, các kênh natri bị khử hoạt và các kênh kali bắt đầu mở, làm cho điện thế hoạt động nhanh chóng kết thúc.

1.2.5. Điện thế màng khi tế bào bị ức chế

Khi tế bào bị ức chế (do các chất truyền đạt thần kinh có tác dụng ức chế gắn với receptor đặc hiệu trên màng) thì hoặc kênh kali hoặc kênh clo, hoặc cả hai kênh này cùng mở ra. Tác dụng này kéo dài khoảng 1- 2 miligiây.

Kênh kali mở, các K⁺ đi ra ngoài màng, làm mặt trong màng trở nên âm hơn. Kênh clo mở, các Cl^- đi vào trong màng, làm điện thế trong màng trở nên âm hơn, tức là -70mV (bình thường điện thế nghỉ ở thân nơron là - 65mV), mức âm thêm 5mV là điện thế ức chế.

1.2.6. Sự lan truyền điện thế hoạt động

+) Cơ chế của lan truyền điện thế hoạt động: Cơ chế của lan truyền điện thế hoạt động là sự tạo nên một “mạch điện” tại chỗ, giữa vùng đang khử cực và phần màng ở vùng tiếp giáp. Ở tế bào thần kinh, điện thế hoạt động lan truyền dọc sợi trục, làn sóng lan truyền được gọi là “xung động thần kinh”. Làn sóng lan truyền ở cơ (gây co cơ) gọi là “xung động ở cơ”.

+) Hướng lan truyền: Từ chỗ phát sinh, điện thế hoạt động lan theo hai chiều trên sợi trục của tế bào thần kinh và chỉ lan theo một chiều qua synap thần kinh, synap thần kinh – cơ hoặc synap thần kinh – tế bào đích. Vì vậy, trên thực tế, hướng len truyền của điện thế hoạt động trong cơ thể chỉ đi theo một chiều, hoặc từ ngoại vi về trung tâm (nếu là dẫn truyền xung động cảm giác), hoặc từ trung tâm ra noại vi (nếu là dẫn truyền xung động vận động).

2. Dẫn truyền hưng phấn trên dãy thần kinh

Hình 11. Dẫn truyền trên sợi thần kinh không có màng mielin

Mỗi nơron đều được cấu tạo bởi thân bào và các rễ. Người ta phân biệt rễ ngắn (các sợi nhánh) và rễ dài (sợi trục). Tế bào thần kinh thường có nhiều rễ ngắn và một rễ dài. Các rễ dài tập hợp lại với nhau để tạo thành dây thần kinh.

Các sợi trục của tế bào thần kinh thường nằm trong màng Lipoproteit bắt đầu cách thân bào một đoạn và kết thúc trước khi có xináp khoảng 2mm. Các sợi thần kinh có màng Lipoproteit bao bọc được gọi là sợi mielin. Màng Lipoproteit của sợi thần kinh không liên tục (1) nó bị phân ra thành từng đoạn ở giữa có eo Ranvie (2) ngăn cách. Bên trong màng mielin là trục chính (3). Các sợi thần kinh có màng mielin bao quanh còn được gọi là sợi mềm. Ngoài loại này còn rất nhiều sợi thần kinh không có màng mielin. Người ta gọi chúng là các sợi cứng. Xung điện lan truyền trên dây thần kinh có và không có màng mielin không giống nhau.

Đối với dây thần kinh không có màng mielin xung điện lan truyền liên tục từ vị trí này tới vị trí khác. Ta có thể thấy hiện tượng này qua hình vẽ. Qua hình vẽ ta thấy: bình thường dây thần kinh có điện tích dương (+) bên ngoài và điện tích âm (-) bên trong màng. Khi điểm A bị kích thích, do độ thấm của màng đối với các ion natri tăng, nên đã xảy ra hiện tượng đảo cực. Bên ngoài màng có đi tích âm (-), còn bên trong màng – điện tích dương (+): Xung xuất hiện tại điểm A sẽ chạy theo vòng cung giữa A Û B từ dướng tới âm. Dòng điện xoáy này sẽ làm giảm điện thế màng của phần sợi thần kinh nằm gần điểm A (điểm B). Thế hiệu màng của phần này giảm dần, khi thế hiệu tĩnh giảm xuống khoảng 20 mV thì độ thấm đối với các ion natri tăng đột ngột. Phía bên trong màng trở nên dương tính, kêt quả điểm B đã trở thành điểm hoạt hóa. Nó sẽ ảnh hưởng tới độ thấm của màng tế bào tại vùng tiếp theo. Nhờ vậy mà xung thần kinh đã lan truyền từ điểm này tới điểm khác của sợi thần kinh không có màng mielin.

Quá trình lan truyền xung động trong các sợi thần kinh có màng mielin xảy ra không giống như vậy. Màng mielin của các sợi thần kinh loại này bị các eo Ranvie chia ra thành từng đoạn có chiều dài khoảng 2 mm. Đoạn nằm giữa hai eo Ranvie là các dây dẫn thụ động, không có khả năng hưng phấn. Chỉ có màng tại vùng eo mới có khả năng hưng phấn, muốn có được xung điện kích thích phải tác động vào một trong số các eo Ranvie. Giả sử xung thần kinh xuất hiện tại điểm A. Để lan truyền được nó sẽ nhảy cóc từ A tới B. Có khi nó nhảy qua eo Ranvie chưa bị hoạt hóa. Chính nhờ cách này mà tốc độ lan truyền trong dây thần kinh có màng mielin tăng lên. Hiện tượng lan truyền điện hoạt động trên dây thần kinh có những đặc điểm sau đây:

1. Tốc độ lan truyền tỉ lệ thuận với đường kính của sợi thần kinh. Đường kính càng to bao nhiêu thì tốc độ lan truyền càng lớn bấy nhiều.

2. Xung điện chỉ đi theo một chiều. Trước khi xuất hiện, xung thần kinh hưng phấn  tính tại điểm bị kích thích đạt tới mức độ cực đại. Cũng vì vậy mà xuất hiện sóng mũi (spike). Trong lúc đó có spike hưng tính giảm xuống bằng 0. Thời gian này được gọi là thời kì trơ tuyệt đối. Vì bất kì kích nào rơi vào thời điểm này cũng không tạo ra được điện thế hoạt động. Ngay sau đó là thời kì hồi phục hưng tính được gọi là thời kì trơ tương đối. Rồi hưng tính  sẽ tăng lên trên mức bình thường – thời kì bột phát. Sau thời kì này hưng tính giảm dần và trở lại bình thường. Hiện tượng này cho thấy nếu xung thần kinh truyền từ A sang B thì nó chỉ có thể đi tiếp tới C chứ không quay trở lại được. Vì nếu quay trở lại nó sẽ rơi vào đúng thời kì trơ tuyệt đối.

3. Sợi thần kinh càng to bao nhiêu thì ngưỡng kích thích càng nhỏ bấy nhiêu.

3. Chuyển giao hưng phấn qua xináp

Xináp là điểm tiếp xúc giữa các nơron với nhau hay giữa các nơron với các tế bào khác. Để hiểu được điều này chúng ta xét cấu tạo của xináp thần kinh – cơ. Qua hình vẽ ta thấy tại điểm kết thúc, màng mielin của sợi trục không còn nữa. Đầu mút của đột trục phình ra để tạo thành chùy xináp. Màng bao quanh chùy xináp được gọi là màng trước xináp (1). Trong chùy xináp có rất nhiều túi nhỏ chứa chất môi giới; màng của sợi cơ tiếp cận với chùy xináp được gọi là màng sau xináp (5). Màng trước và màng sau xináp không dính vào nhau. Nó bị ngăn cách bởi một khe rộng khoảng 200-300 mm được gọi là khe xináp.

Khi có kích thích các túi chất môi giới nằm trong chùy xináp được giải phóng vào khe xináp. Nó được vận chuyển qua khe để tới tiếp xúc với màng sau xináp. Số lượng túi chất môi giới được giải phóng phụ thuộc vào cường  độ kích thích. Chất môi giới chỉ được tiết ra dưới tác động của hưng phấn dưới dạng xung điện đi trên đột trục. Bằng phương pháp phân tích thành phần hóa học người ta đã cho thấy chất môi trường đặc biệt tiết ra ở xináp thần kinh cơ là axetincolin. Phần màng sau xináp của sợi cơ có độ nhạy cảm đặc biệt đối với axetincolin. Chỉ một lượng bằng 10^-16 – 10^-15 mol axetincolin cũng đủ để gây ra hưng phấn màng sau xináp và làm xuất hiện thế điện động lan truyền trên sợi cơ. Trong khi đó môi giới cao hơn nhiều. Các phần còn lại của sợi cơ hầu hết như không nhạy cảm đối với axetincolin. Tại chùy xináp có một hệ thống men tổng hợp chất môi giới. Còn tại màng sau xináp có hệ thống men phân hủy các chất này. Kết quả là sau khi gây ra ảnh hưởng tới màng sau xináp, axetincolin nhanh chóng bị men colinesteraza phân hủy thành axetat và colin. Các sản phẩm này được thu hồi về chùy xináp. Tại đấy chúng được tái tổng hợp thành axetincolin. Toàn bộ quá trình nêu ra ở trên có thể biểu diễn bằng sơ đồ hình 15.

Hình 14. Cơ chế chuyển giao qua xináp thần kinh - cơ

Như vậy, sự chuyển giao hưng phấn qua xináp được thực hiện bằng phương thức hóa học. Các chất môi giới đảm nhận công việc này. Nhưng chất môi giới một chiều từ màng trước tới màng sau xináp. Một điểm nữa chậm lại. Sở dĩ có hiện tượng này vì từ lúc xung động tác động vào vùng trước xináp tới khi xuất hiện những biến đổi phân cực tại màng sau xináp phải mất một khoảng thời gian gần bằng 0,4ms.