Impuls nerwowy: powstawanie i przewodzenie

Układ nerwowy działa dzięki zdolności komórek nerwowych do odbierania, przetwarzania i przekazywania informacji. Podstawową jednostką jest neuron, zbudowany z ciała komórki, dendrytów i aksonu. Dendryty zwykle odbierają sygnały, a akson przewodzi je dalej do innych neuronów, mięśni lub gruczołów.

Warunkiem działania neuronu jest pobudliwość, czyli zdolność reagowania na bodźce, oraz przewodnictwo, czyli zdolność przekazywania powstałego pobudzenia. Zjawiska te opierają się na właściwościach błony komórkowej i na nierównomiernym rozmieszczeniu jonów po obu jej stronach. Dzięki temu błona neuronu ma określony stan elektryczny nawet wtedy, gdy komórka nie przewodzi impulsu.

Neuron w stanie niepobudzonym ma potencjał spoczynkowy. Oznacza to, że wnętrze komórki jest bardziej ujemne niż środowisko zewnętrzne. Tę różnicę ładunków nazywamy polaryzacją błony.

Za utrzymanie tego stanu odpowiadają przede wszystkim dwa mechanizmy: nierówne rozmieszczenie jonów oraz działanie pompy sodowo-potasowej. Pompa ta aktywnie usuwa jony sodu z komórki i transportuje jony potasu do jej wnętrza. Ważna jest też wybiórcza przepuszczalność błony, ponieważ nie wszystkie jony przemieszczają się przez nią równie łatwo.

Na poziomie szkolnym trzeba rozumieć przede wszystkim zależność: różne stężenie jonów po obu stronach błony umożliwia szybką zmianę jej stanu elektrycznego. To właśnie ta zmiana stanowi istotę impulsu nerwowego.

Jeżeli na neuron działa odpowiednio silny bodziec, dochodzi do przekroczenia progu pobudzenia. Wtedy otwierają się kanały jonowe bramkowane napięciem i rozpoczyna się potencjał czynnościowy. Jest to krótkotrwała, ale gwałtowna zmiana potencjału błonowego.

Najpierw zachodzi depolaryzacja — do wnętrza komórki napływają jony sodu, przez co wnętrze neuronu staje się mniej ujemne, a nawet na moment dodatnie względem otoczenia. Następnie pojawia się repolaryzacja, związana głównie z wypływem jonów potasu z komórki. Po niej może wystąpić hiperpolaryzacja, czyli chwilowe „nadmierne” zwiększenie ujemnego ładunku wewnątrz neuronu.

Dlatego pojedynczy impuls ma podobną amplitudę niezależnie od tego, czy bodziec był tylko progowy, czy znacznie silniejszy. Siła bodźca może być natomiast kodowana inaczej, na przykład przez częstotliwość pojawiania się impulsów.

Powstały potencjał czynnościowy rozprzestrzenia się wzdłuż aksonu. Dzieje się tak, ponieważ zmiana potencjału w jednym fragmencie błony wpływa na sąsiedni odcinek i wywołuje w nim kolejną falę depolaryzacji. W ten sposób impuls przesuwa się dalej.

Istotne znaczenie ma okres refrakcji, czyli czas po przejściu impulsu, gdy błona nie może od razu ponownie zareagować tak samo. To sprawia, że przewodzenie ma zwykle kierunek od ciała komórki ku zakończeniom aksonu, a impuls nie cofa się wstecz.

W aksonach pozbawionych mieliny przewodzenie odbywa się kolejno na całej długości błony. W aksonach otoczonych osłonką mielinową jest ono znacznie szybsze, ponieważ mielina działa izolująco i ogranicza miejsca, gdzie musi odtworzyć się potencjał czynnościowy.

Osłonka mielinowa otacza akson odcinkami, pomiędzy którymi znajdują się przewężenia Ranviera. W tych przerwach błona komórkowa ma kontakt ze środowiskiem zewnętrznym i właśnie tam najłatwiej dochodzi do odnowienia potencjału czynnościowego.

W efekcie impuls nie musi powstawać na całej długości aksonu, lecz „przeskakuje” od jednego przewężenia do następnego. Taki sposób przewodzenia nazywamy przewodzeniem skokowym. Jest ono szybsze niż przewodzenie w aksonach bezmielinowych i wymaga mniejszego nakładu energii, bo aktywne zmiany zachodzą tylko w wybranych miejscach błony.

Impuls przewodzony wzdłuż aksonu dociera do jego zakończenia i musi zostać przekazany następnej komórce. Służy do tego synapsa, czyli miejsce kontaktu między neuronami albo między neuronem a inną komórką. W szkole średniej najważniejsza jest synapsa chemiczna.

Gdy impuls dociera do zakończenia aksonu, dochodzi do uwolnienia neuroprzekaźnika do szczeliny synaptycznej. Neuroprzekaźnik łączy się z receptorami w błonie następnej komórki i może wywołać w niej zmianę potencjału. Jeśli ta zmiana osiągnie próg pobudzenia, w kolejnym neuronie powstaje nowy potencjał czynnościowy.

Przekazywanie w synapsie chemicznej jest zwykle jednokierunkowe, ponieważ neuroprzekaźnik jest uwalniany z zakończenia aksonu jednej komórki, a receptory znajdują się na błonie drugiej. To ważna różnica między przewodzeniem w obrębie jednego neuronu a przekazywaniem sygnału między neuronami.