Fiziologia nervilor

Sistemul nervos coordonează acele activități care atrag după ele răspunsul la stimuli:

• Prima este recepția, în cursul căreia sunt captate informații din mediul înconjurător.

• Următoarea este transmiterea, în care informația este livrată sistemului nervos central de către neuronii senzoriali.

• Urmează integrarea, în cursul căreia este determinată reacția potrivită.

• În final apare răspunsul, în cursul căruia un impuls nervos este transmis prin intermediul neuronilor motori către efectori, care vor reacționa în concordanță cu stimulul. Principalii efectori din organism sunt mușchii și glandele.

Activitatea nervoasă și arcul reflex

Neuronii senzoriali, interneuronii și neuronii motori produc impulsuri nervoase pentru a transmite informații și sunt organizați în circuite neuronale. Într-un astfel de circuit, neuronii sunt dispuși astfel încât axonul unui neuron se termină în apropierea dendritei următorului neuron, fără a o atinge. Joncțiunea dintre doi neuroni alăturați se numește sinapsă.

Actul reflex, care are ca bază anatomică arcul reflex, este un exemplu simplu de activitate nervoasă. Exemplul tipic de act reflex este reflexul rotulian, în care apare extensia gambei la percutarea ligamentului patelar. Un alt exemplu este reflexul de retragere, în care un deget atins de un stimul dureros este retras imediat.

Un reflex ia naștere când un neuron senzorial recepționează un stimul. Este generat un impuls nervos, care este condus de neuronii senzoriali către interneuronii din sistemul nervos central, care au rol de centru de procesare. Interneuronii comunică cu neuronii motori, fiind generat un impuls care va fi transmis unui efector, mușchi sau glandă, care va acționa în consecință. În reflexul de retragere, retragerea degetului este determinată de contracția mușchilor.

Tabelul nr. 10.1. Componentele unui arc reflex.

Reflexul poate fi automat și inconștient, fără a include encefalul sau o activitate mentală. El ajută la menținerea homeostaziei organismului în timpul unor activități precum strănutul, tusea sau înghițitul, și reprezintă cea mai simplă activitate îndeplinită de către sistemul nervos.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Aici manualul se contrazice singur. Capitolul 10 dă strănutul, tusea și înghițitul ca reflexe „fără a include encefalul”, dar capitolul 11 listează exact aceste activități printre cele coordonate de nuclei din bulbul rahidian, care este parte a encefalului. Formularea riguroasă ar fi „fără scoarța cerebrală, fără activitate conștientă”.

Figura nr. 10.5. Un arc reflex tipic, ilustrat cu ajutorul reflexului de retragere.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: substanța cenușie ocupă centrul măduvei, sub formă de fluture (literă H), iar substanța albă o înconjoară de jur împrejur. Cenușiul e înăuntru, albul la periferie.

• Interneuronul stă integral în substanța cenușie, la fel și corpul neuronului motor, în timp ce corpul neuronului senzorial e o umflătură ovală așezată în afara măduvei, pe traseul rădăcinii.

• Cele două rădăcini sunt distincte și pleacă la niveluri diferite pe aceeași latură a măduvei: numai cea senzorială poartă ganglionul, cea motorie nu are niciunul.

• Corpul neuronului senzorial nu stă lângă receptor, ci lângă măduvă: prelungirea lui periferică străbate tot membrul inferior, de la talpă până lângă coloană.

Impulsul nervos

În multe cazuri, activitatea nervoasă este inițiată prin stimularea unui receptor de la suprafața corpului. Cei mai cunoscuți receptori sunt neuronii din organele senzoriale, precum ochiul și nasul. Alți receptori, prezenți în piele, reacționează la presiune, atingere, căldură sau frig. După ce un receptor a fost stimulat, mesajul neuronal este transmis spre SNC prin intermediul unui neuron senzorial. La originea impulsului nervos stă un eveniment electrochimic, datorat modificării distribuției ionilor în celula nervoasă.

După cum arată și numele, un neuron în repaus nu transmite impulsuri. Într-un neuron în repaus, suprafața externă a membranei celulare are o încărcătură electrică pozitivă, iar citoplasma din interior este electronegativă. Astfel, neuronul în repaus este polarizat, fiindcă suprafața internă și cea externă a membranei sale au sarcini electrice opuse. Fiind separate astfel, sarcinile electrice vor determina o acțiune în cazul în care diferența dintre ele se modifică. Această diferență se numește potențial de repaus.

Potențialul de repaus reprezintă un dezechilibru între sarcinile electrice aflate de o parte și de alta a membranei celulare. Într-un neuron în repaus, el este de aproximativ 70 de milivolți (mV). Prin convenție, acest potențial se exprimă ca -70 mV („electronegativ”), pentru că suprafața internă a membranei celulare are o sarcină electrică negativă față de cea pozitivă prezentă pe suprafața externă.

Potențialul de repaus este rezultatul unui exces de ioni pozitivi în exteriorul membranei celulare, comparativ cu interiorul acesteia. Există, de asemenea, un ușor exces de ioni negativi în citoplasmă, care includ ionii de fosfat organic; și proteinele citoplasmatice au o sarcină electrică negativă. Concentrația ionilor de sodiu din exteriorul celulei este de peste 10 ori mai mare decât cea din interior, ceea ce îi conferă suprafeței externe a membranei celulare o sarcină pozitivă, comparativ cu interiorul.

Figura nr. 10.6. Dezechilibrul ionic între interiorul și exteriorul unei celule nervoase.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Raportul dintre cei doi cationi se inversează la trecerea membranei. Textul ne spune doar jumătatea cu sodiul, că el e mai concentrat afară; figura o adaugă pe cealaltă, că potasiul predomină înăuntru.

• Excesul de sarcini pozitive stă la exteriorul membranei, adică exact mecanismul potențialului de repaus

• Sarcinile negative apar exclusiv în interiorul axonului

• Ele sunt discuri pline, fără simbol chimic, spre deosebire de Na și K, care poartă simbolul înscris în cerc. Nu e vorba de un ion anume, ci de fosfații organici și proteinele citoplasmatice din text.

• Niciunul dintre cei doi cationi nu lipsește dintr-un compartiment: Na+ și K+ apar de amândouă părțile membranei, se schimbă doar proporția lor.

Dezechilibrul ionic din celulele nervoase se datorează mai multor factori. Un factor este reprezentat de o pompă de sodiu-potasiu foarte eficientă. Această pompă transportă câte trei ioni de sodiu în afara celulei, prin mecanisme de transport activ, și introduce în celulă câte doi ioni de potasiu. Pompa funcționează împotriva gradientului de concentrație al ionilor și, prin urmare, sunt necesare cantități mari de ATP. Deoarece mai mulți ioni pozitivi sunt pompați în afara celulei decât sunt introduși în interiorul acesteia, intracelular apare un potențial electric negativ.

Dezechilibrul ionic este determinat și de difuziunea ionilor din zonele cu concentrație mai mare înspre zonele cu concentrație mai scăzută, prin canale membranare. Unele dintre aceste canale sunt alcătuite din proteine membranare care suferă modificări structurale, pentru a se putea deschide atunci când membrana este stimulată. Astfel de canale se numesc canale cu poartă (gated channels), pentru că acționează ca niște porți, și sunt specifice pentru diferite tipuri de ioni. Canalele de sodiu și cele de potasiu sunt exemple de canale cu poartă.

Un impuls nervos se numește potențial de acțiune. La generarea unui potențial de acțiune, un stimul electric, mecanic sau chimic modifică potențialul de repaus prin deschiderea canalelor de sodiu, permițând intrarea ionilor de sodiu în celulă. Odată cu accesul ionilor de sodiu în celulă, membrana neuronului se depolarizează. În timpul depolarizării, potențialul de repaus se ridică până la valoarea de aproximativ -55 mV, care reprezintă intensitatea prag a unui impuls nervos. În acest moment, canalele de sodiu voltaj-dependente se deschid și un număr și mai mare de ioni de sodiu pătrunde rapid în celulă. Acest influx durează o miime de secundă, apoi canalele se închid. Valoarea potențialului continuă să crească până la aproximativ +35 mV, având loc o inversare temporară a polarității.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Cele trei valori se cer exact: repaus -70 mV, prag -55 mV, vârf +35 mV. Iar la prag se deschid canalele de sodiu voltaj-dependente. Până la prag este vorba despre canalele cu sodiu cu poartă. Potasiul iese din celulă tot prin canale voltaj-dependente, în timpul repolarizării

Dacă potențialul de acțiune este suficient de puternic pentru a depolariza zona învecinată a membranei, prin deschiderea mai multor canale de sodiu voltaj-dependente, acea zonă se va depolariza și procesul se repetă. Astfel, o undă de depolarizare se propagă ca o reacție în lanț. Unda „călătorește” de-a lungul neuronului și reprezintă potențialul de acțiune, sau impulsul nervos.

REȚINE: O zonă activată a unui neuron are o sarcină pozitivă datorită influxului de ioni de sodiu; ea este depolarizată.

Figura nr. 10.7. Potențialul de acțiune al unei celule nervoase.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Cele trei panouri nu sunt trei fenomene, ci aceeași undă la trei momente. Citite în șir, ele dau cele trei stări succesive prin care trece același punct al membranei: „+” în afară (repaus) -> „+” înăuntru (depolarizat) -> „+” în afară din nou (repolarizat).

• Zona depolarizată se deplasează, nu se lărgește: Potențialul de acțiune e o undă care se mută, nu o depolarizare care se întinde.

• Odată pornită, propagarea nu mai are nevoie de stimul

După ce potențialul de acțiune a părăsit zona inițială, membrana începe să se repolarizeze. Canalele de sodiu se închid, iar cele de potasiu se deschid, declanșând ieșirea potasiului din celulă. Astfel, sarcina din exterior redevine pozitivă și membrana se repolarizează. Întregul ciclu depolarizare-repolarizare are loc în mai puțin de o milisecundă.

Reîntoarcerea la starea de repaus necesită pomparea sodiului în exteriorul neuronului, care are loc în secundele următoare. În stare depolarizată, neuronul este refractar, ceea ce înseamnă că nu poate transmite un alt potențial de acțiune decât dacă stimulul este foarte puternic. Odată ce ionii de sodiu au fost pompați în exterior și potențialul de repaus a fost restabilit, neuronul este capabil să genereze un nou potențial de acțiune.

Astfel, celula nervoasă urmează legea totul sau nimic: un stimul suficient de puternic pentru a depolariza neuronul la pragul critic are ca rezultat un impuls nervos; un stimul mai puternic are ca rezultat același impuls; neuronul transmite sau nu un impuls nervos; intensitatea impulsului nervos nu variază. Cu toate acestea, un stimul foarte puternic poate genera câteva impulsuri nervoase sau potențiale de acțiune succesive.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Legea „totul sau nimic” spune că intensitatea impulsului nu variază, nu că numărul lui nu variază: un stimul foarte puternic dă mai multe potențiale de acțiune succesive, fiecare la fel de mare ca celelalte. Distractorul clasic afirmă că un stimul mai puternic produce un impuls mai puternic; al doilea afirmă că un stimul foarte puternic nu schimbă absolut nimic.

Teaca de mielină sintetizată de către oligodendrocite în SNC și de celulele Schwann în SNP permite o transmitere mai rapidă a impulsului nervos de-a lungul axonilor și/sau dendritelor mielinizate. Deoarece ionii nu pot pătrunde sau ieși din neuron decât la nivelul nodurilor Ranvier, prezente între celulele Schwann sau între prelungirile oligodendrocitelor, impulsul „sare” de la nod la nod în loc să progreseze constant de-a lungul neuronului. Acest fenomen poartă numele de propagare (conducere) saltatorie. Ea mărește considerabil viteza impulsurilor, permițând reacții mai rapide la stimuli: reacțiile reflexe necesită neuroni mielinici în SNP pentru a putea avea o viteză de reacție mai mare.

Figura nr. 10.8. Comparație între conducerea continuă (a), în neuronul amielinic, și conducerea saltatorie (b), în neuronul mielinic.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Comparația e măsurabilă pe desen: la 10 msec, frontul din fibra amielinică a parcurs cam un sfert din lungimea fibrei, iar cel din fibra mielinică aproape trei sferturi, adică de aproximativ trei ori mai mult în același timp.

• Potențialul de acțiune se naște în zona declanșatoare, nu în corpul celular: amândouă fibrele pornesc din același loc, chiar la ieșirea axonului din corpul celular.

• În fibra amielinică frontul înaintează cu pași mici și aproape egali; în cea mielinică, între 1 și 5 msec, sare peste un segment întreg de mielină.

• Se schimbă locul unde intră sodiul, nu felul în care intră: Na+ pătrunde tot dinspre ambele suprafețe, la nivelul frontului, în amândouă tipurile de fibră.

REȚINE: Conducerea saltatorie nu e o proprietate a mielinei în sine, ci a nodurilor Ranvier: ionii pot traversa membrana numai acolo, deci depolarizarea nu are unde să se producă în rest și impulsul sare din nod în nod. Mielina blochează, nodul lasă să treacă.

Sinapsa

Sinapsa reprezintă joncțiunea dintre doi neuroni sau dintre un neuron și un efector, mușchi sau glandă. Sinapsa dintre un neuron și o celulă musculară poartă numele de sinapsă neuromusculară sau placă motorie. Spațiul din interiorul sinapsei se numește fantă sinaptică. Când impulsul ajunge la capătul axonului, nu poate sări peste această fantă. Ca atare, există un mecanism chimic ce conduce mesajul spre următorul neuron, mușchi sau glandă.

Odată ajuns la butonii terminali ai axonului, impulsul nervos stimulează eliberarea de substanțe chimice denumite neurotransmițători. Aceștia difuzează rapid prin fanta sinaptică și modifică permeabilitatea următorului neuron. Dacă există suficiente molecule de neurotransmițător, dendritele următorului neuron se depolarizează și impulsul nervos nou format este propagat mai departe.

REȚINE: Neurotransmițătorii ajung prin exocitoză în fanta sinaptică, pentru a stimula sau inhiba următoarea celulă.

Neurotransmițătorii sunt sintetizați continuu și se găsesc în butonii terminali ai axonilor. La acest nivel, ei sunt stocați în vezicule delimitate de o membrană, numite vezicule sinaptice. Când un impuls nervos ajunge la butonul terminal, canalele de calciu voltaj-dependente se deschid și ionii de calciu din exterior pătrund în axon, determinând eliberarea neurotransmițătorilor din veziculele sinaptice prin exocitoză, la nivelul membranei presinaptice.

Figura nr. 10.9. Activitatea sinaptică.

CUM SE CITEȘTE FIGURA: Toată asimetria sinapsei e desenată, iar din ea vine sensul unic al transmiterii: veziculele și mitocondria apar exclusiv în terminația presinaptică, iar receptorii, ca o franjură deasă de proeminențe, numai pe membrana postsinaptică. Membrana presinaptică e netedă, iar neuronul postsinaptic o masă uniformă, fără vezicule și fără organite.

• Exocitoza e figurată ca fuziune de membrane: două vezicule apar deschise, contopite cu membrana presinaptică, vărsându-și conținutul în fantă.

• Moleculele de neurotransmițător apar în trei locuri succesive, închise în vezicule, libere în fantă și fixate pe franjura de receptori, dar niciuna nu ajunge în citoplasma neuronului postsinaptic: se opresc la membrană.

• Vezicula trebuie să atingă întâi membrana ca să se golească: numai cele ajunse la membrana presinaptică sunt deschise, cele din adâncul terminației rămân intacte.

• La un moment dat se descarcă doar o mică parte din stoc: șase vezicule intacte și două în curs de golire.

• Fanta are lățime constantă pe tot traseul contactului, iar cele două membrane rămân paralele și nu se ating nicăieri.

• Butonul terminal are propria sursă de energie, deși e departe de corpul celular: terminația presinaptică e o dilatare bulboasă, vizibil mai lată decât fibra care o poartă, cu o mitocondrie mare, cu criste vizibile, în mijloc.

• Sinapsa ocupă o arie de membrană, nu un punct: contactul se face pe o suprafață netedă și întinsă a neuronului postsinaptic, nu pe vârful unei dendrite.

După ce difuzează în fanta sinaptică, neurotransmițătorii se leagă de receptorii aflați pe membrana dendritelor următorului neuron, adică pe membrana postsinaptică. Acești receptori sunt niște molecule proteice care formează canale ionice. Aceste canale se deschid și permit intrarea ionilor de sodiu în dendrită. Dacă există un influx suficient de sodiu, are loc depolarizarea și este generat un nou impuls nervos.

CAPCANĂ DE GRILĂ: Doi ioni diferiți, la doi pași diferiți ai aceleiași sinapse: calciul intră în butonul presinaptic și declanșează eliberarea neurotransmițătorului, iar sodiul intră în neuronul postsinaptic și produce depolarizarea. Grilele îi schimbă între ei. Reține și că receptorii postsinaptici sunt canale ionice, nu doar locuri de legare.

Se cunosc peste 50 de tipuri diferite de neurotransmițători. Unul dintre cei mai cunoscuți este acetilcolina. Aceasta este eliberată de către neuronii ce inervează mușchii scheletici, la nivelul joncțiunii neuromusculare, pentru a declanșa contracția musculară. Acetilcolina este eliberată și de unii neuroni din componenta vegetativă a SNP și de unii neuroni din encefal. După ce acetilcolina se leagă de receptori, este descompusă de o enzimă denumită colinesterază, în interiorul sinapsei, ceea ce face ca stimulul să aibă o durată scurtă. Alți neurotransmițători sunt recuperați prin endocitoză, pentru a putea fi refolosiți.

COMPLETARE: Recuperarea prin endocitoză se referă la „alți neurotransmițători”, deci nu și la acetilcolină: ea nu se recuperează, ci este descompusă de colinesterază chiar în sinapsă. Precizarea nu e scrisă explicit, e implicită în cuvântul „alți”, dar exact acolo se construiește capcana.

Un alt neurotransmițător bine cunoscut este noradrenalina (norepinefrina). Ea este eliberată de către neuronii simpatici pentru a declanșa reacția „luptă sau fugi” și, de asemenea, de către mulți neuroni din encefal și din măduva spinării. Alți neurotransmițători sunt adrenalina (epinefrina) și dopamina. Noradrenalina, adrenalina și dopamina fac parte dintr-o clasă de substanțe organice numite catecolamine.

Alți neurotransmițători cunoscuți sunt serotonina, glutamatul, glicina și endorfinele. Unii neurotransmițători îndeplinesc diferite roluri în organism, unii fiind inhibitori, iar alții sunt identici cu hormonii secretați de glandele endocrine. Neurotransmițătorii sunt produși în zone diferite ale sistemului nervos: glutamatul este produs în special în cortexul cerebral, iar glicina mai ales în măduva spinării.

Anumiți neurotransmițători excită neuronul postsinaptic și produc depolarizări și impulsuri nervoase denumite potențiale postsinaptice excitatorii (PPSE). Alți neurotransmițători inhibă apariția impulsurilor nervoase în neuronul postsinaptic, prin menținerea canalelor de sodiu în stare închisă. Această inhibare duce la apariția potențialelor postsinaptice inhibitorii (PPSI).

Tabelul nr. 10.2. Proprietățile unor neurotransmițători.