Hvad hvis alt, hvad du gjorde, tænkte og følte, kunne kommunikeres ved at trykke på en knap? Som at bruge verdens enkleste app – en, der bare sender et lille signal ud, altid med samme volumen og længde – til at kommunikere alt fra “det er vildt koldt herinde”, til “Jeg elsker spanskrør”, til “hold da op, hvor ville det være rart hvis jeg lige trak vejret en gang”
Det er faktisk nøjagtigt sådan dine neuroner sender ALLE impulser rundt i kroppen, som er ansvarlige for hver af dine handlinger, tanker og følelser.
Når et neuron stimuleres nok, affyrer den en elektrisk impuls, der suser ud gennem sit axon ned til dets tilstødende neuroner. Men de har kun et signal, som de kan sende, og det transmitteres kun med en ensartet styrke og hastighed.
Hvad de dog kan variere, er frekvensen, eller antallet af impulser, og din hjerne kan oversætte disse signaler – læse dem som binær kode, organisere dem efter placering, stimulering, størrelse og betydning – så du kan kende forskellen mellem “skru op for termostaten” og “åh nej, jeg brænder!”
Denne nerveimpuls, kaldet aktionspotentialet, er et af de mest grundlæggende aspekter af anatomi og fysiologi, og egentlig livet generelt. Det sker indeni dig lige nu! Og vi skal være sikre på, at du forstår, hvad al denne signalering handler om.
Før vi dykker ned i, hvordan nerveceller kommunikerer med hinanden, skal vi først forstå lidt af vores gamle ven fra folkeskolen: Elektricitet.
Grundlæggende skal du tænke på din krop som en batterisæk. Nej, jeg mener ikke, at du ligner en sæk batterier, jeg siger bare, at din krop som helhed er elektrisk neutral, med lige store mængder positive og negative ladninger, der flyder rundt. Men nogle af dem er mere positivt eller negativt ladede end andre.
Fordi modsatte ladninger tiltrækker hinanden, har vi brug for barrierer, eller membraner. Disse er til for at holde positive og negative adskilte, indtil vi er klar til at bruge den energi, som deres tiltrækning skaber. Med andre ord holder vi dem adskilte for at opbygge potentiale.
Et batteri, der bare sidder alene, har både en positiv og negativ ende og potentialet til at frigive energi. Men der sker ikke noget, før det sidder i en lommelygte, en fjernbetjening eller et legetøj til børn, der lader disse ladninger bevæge sig mod hinanden, for undervejs at omdanne elektricitet til lys, fjernsyn eller barnelatter.
På stort set samme måde er hvert neuron i din krop sit eget lille batteri med sine egne adskilte ladninger. Det har bare brug for en noget der kan udløse den handling, der bringer disse afgifter sammen.
Hvis du tænker på, at det jeg lige har beskrevet minder mere om teknik end anatomi, tager du måske ikke helt fejl. Det kan endda hjælpe dig med at tænke på dine neuroner på samme vilkår som en elektriker.
Når vi nu taler om disse begreber i forhold til dig, taler vi typisk om, hvordan strøm indikerer strømningen af positivt eller negativt ladede ioner over modstanden i dine cellers membraner. Igen adskiller disse membraner ladningerne, så de giver potentialet til at omdanne elektriciteten til noget nyttigt. Så nu hvor du har fået et lynkursus i elektricitet, skal vi se hvordan det fungerer i dit nervesystem.
Et hvilende neuron er som et batteri, der bare ligger i den sæk, der er dig. Når det sidder der, er det mere negativt på indersiden af cellen i forhold til det ekstracellulære rum omkring det. Forskellen er kendt som neuronets hvilemembranpotentiale, og det “hviler” ved omkring -70 millivolt (mV)
Hvor kommer disse forskelle fra? Uden for et hvilende neuron svæver en flok positive natriumioner, der bare dvæler uden for membranen. Indvendigt har neuronet også kaliumioner, der er positivt ladede, men de er blandet med større, negativt ladede proteiner. Og da der er flere natriumioner udenfor, end der er kaliumioner inde, har cellens indre en samlet negativ ladning. Når et neuron har et negativt membranpotentiale som dette, siges det at være polariseret.
Vi må forstå at disse ioner, og deres forskelligheder, ikke bare er dukket op i dette arrangement af sig selv. De er orkestreret af en af de vigtigste maskiner i dit nervesystem, nemlig natrium-kaliumpumpen. Dette lille protein strækker sig over neuronets membran, og der er masser af dem langs hele axonen.
For hver to kaliumioner, den pumper ind i cellen, pumper den ud tre natriumioner. Dette skaber en forskel i koncentrationen af natrium og kalium og en forskel i ladninger – hvilket gør det mere positivt uden for neuronet. Denne forskel er en elektrokemisk gradient, og du ved sandsynligvis nok om biologi til at vide, at NATUREN HADER GRADIENTER! Det ønsker at udjævne alle disse uligheder, i koncentration og i ladning, for at komme så tæt på balance og perfektion som muligt. Men den eneste måde at udjævne disse gradienter på, er ved at ionerne passerer gennem membranen.
Heldigvis er natrium-kaliumpumpen ikke den eneste vej ud af cellen – membranen er også fyldt med ionkanaler: store proteiner, der kan give sikker passage gennem membranen, når deres respektive porte er åbne. Disse porte åbnes og lukkes af forskellige grunde, afhængigt af deres struktur og formål.
Så har vi også mekanoceptive kanaler, der åbner sig som respons på fysisk stræk af membranen. Ordet mekanoceptiv, henviser her til opfangelsen af bevægelsen i det sideliggende membranvæv.
Under alle omstændigheder, når portene åbnes, diffunderer ioner hurtigt over membranen ned ad deres elektrokemiske gradient, udjævner koncentrationerne og løber væk fra andre positivt ladede ioner.
Disse bevægelser af ioner er nøglen til alle elektriske begivenheder i neuroner, og er dermed kraften bag hver. enkelt. ting. vi tænker, gør og føler.
Selvfølgelig er ikke alle dine krops elektriske reaktioner ens. Strømmene af ioner løber heller ikke allesammen ind og ud af dine neuroner hele tiden. Hvis der kun åbnes et par enkelte kanaler, og der kun kommer en smule natrium ind i cellen, forårsager det bare en lille ændring i membranpotentialet i den lokaliserede del af cellen. Dette kaldes et gradueret potentiale.
Men for at sende signaler over lange distancer hele vejen langs et axon, har du brug for en større ændring – en, der er stor nok til at udløse de spændingsstyrede kanaler.
Det er aktionspotentialet! Og din bedste mulighed for at få det til at ske er at depolarisere det hvilende neuron – altså: forårsage en stor nok ændring i dets membranpotentiale til, at det vil få de spændingsstyrede kanaler til at åbne sig.
Husk dette nummer: -55mV – Fordi dette er et alt-eller-intet fænomen. Hvis stimulansen er for svag, og ændringen ikke rammer dette niveau, er det som en falsk alarm – neuronet vender bare tilbage til sin hviletilstand.
Men fuldstændigt ligesom når Doc Brown rammer 1,21 gigawatt i sin Delorean, sker der noget, når den når denne tærskel – du vil godt nok ikke rejse i frem eller tilbage i tiden, men du vil komme til at se noget seriøst aktionspotentiale.
Ved denne tærskel åbnes de spændingsstyrede natriumkanaler, og der er masser af disse, så alle de positive natriumioner skynder sig ind, hvilket gør cellen massivt depolariseret – så meget, at den faktisk bliver positiv, op til ca. +40mV. Dette er aktionspotentialet i … aktion.
Det er egentlig bare en midlertidig vending af et membranpotentiale – en kort depolarisering forårsaget af ændringer i dets strømninger. Og i modsætning til graduerede potentialer, som er små og lokaliserede, starter et aktionspotentiale en biologisk kædereaktion, der sender det elektriske signal ned ad axonet.
Fordi hver af dine neuroner har masser af spændingsstyrede natriumkanaler. Så når nogle få i et område åbner, er den lokale strøm stærk nok til at ændre spændingen i kanalerne omkring dem. Og det udløser deres naboer, som udløser spændingen bag dem, og så videre og så videre langs hele linjen af neuroner.
Så snart alt er sat i gang, starter processen med repolarisering. Denne gang åbner de spændingsstyrede kaliumionkanaler sig op og lader disse kaliumioner strømme ud i et forsøg på at genbalancere ladningerne.
Hvis det går for langt, går membranerne kort igennem hyperpolarisering: Deres spænding falder til omkring -75mV, før alle porte lukkes, og natrium-kaliumpumperne overtager og bringer tingene tilbage til deres hvileniveau.
Når en del af et axon er midt i alt dette, og dets ionkanaler er åbne, kan det ikke reagere på nogen anden stimulus, uanset hvor stærk. Dette kaldes den refraktære periode, og det er der for at forhindre, at signaler bevæger sig i begge retninger ned ad axonet på én gang.
Faktisk har dette også et to specielle underfaser. Den første fase af denne periode, fra depolarisering til repolarisering kaldes den absolutte refraktærperiode, og den sørger for, at hvert aktionspotentiale er sin egen unikke alt-eller-intet begivenhed. Fasen umiddelbart efter denne periode – den, der spænder fra repolarisering gennem hyperpolarisering og tilbage til hvilepotentiale – kaldes den relative refraktærperiode.
Jeg kan godt forstå, hvis du føler at dit hoved er ved at eksplodere af informationer, tal og beskrivelser og elektroniske gloser. Men dette er den overraskende enkle app, som dit nervesystem bruger til at lade dig opleve og reagere på verden.
Og fordi spændingerne i denne proces altid er stort set de samme – den indledende tærskel omkring -55mV og toppen ved depolarisering ved +40mV – dine neuroner kommunikerer kun i en enkelt monoton summende.
Det betyder ikke noget, om det er en edderkop på dit knæ eller en elefant, et papirsnit i fingeren eller et stiksår. Styrken af aktionspotentialet er altid den samme. Hvad der dog ændrer sig, er frekvensen, eller hyppigheden,, af denne summen.
En svag stimulus har tendens til at udløse mindre hyppige aktionspotentialer. Og det kan ændre sig alt efter opgavens størrelse, på samme måde som når din hjerne fortæller dine muskler at udføre en opgave.
Hvis du har brug for at gøre noget delikat, som at pille et æg i ét stykke, uden at skallen går i stykker, er signalet lavfrekvent.
Men et mere intenst signal – som at forsøge at kvase en tom dåse sammen – øger frekvensen af disse aktionspotentialer for at bede dine muskler om at trække sig hårdere sammen, og meddelelsen bliver til noget, som du ikke kan ignorere.
Aktionspotentialer varierer også efter hastighed eller ledningshastighed. De er hurtigst på nervebaner, der styrer ting som fx reflekser, men de er langsommere på steder som dine kirtler, tarme og blodkar. Og den faktor, der påvirker et neurons transmissionshastighed mest, er hvorvidt der er en myelinskede på dets axon eller ej.
Axoner overtrukket med isolerende myelinskede viderefører impulser hurtigere end ikke-myeliniserede. Dels fordi, i stedet for bare at udløse en kanal ad gangen i en kædereaktion, kan en strøm effektivt springe fra en myelinskede til det næste.
I det perifere nervesystem dannes myelinskederne af Schwannske celler, der vikler sig rundt om axonen. Disse celler rører faktisk ikke hinanden, så langs med axonet vil du se små “fordybninger” imellem myelin kaldet de Ranvierske indsnøringer – hvilket lyder som noget Herkules kunne have have fået som en af sine opgaver.
Disse små ”fordybninger” i myeliniseringen har det skønne navn Ranvierske indsnøringer, og denne form for strømning er kendt som saltatorisk ledning, fra det latinske ord for at springe: -Saltus.
I centralnervesystemet er myeliniseringen resultatet af oligodendrocytter, der vikles rundt om axonet, i modsætning til Schwannske celler, der vikler hele cellekroppen omkring axonen. Så disse celler mangler de regelmæssige indsnøringer, vi ser i de perifere nervesystemets neuroner.
Men hvad sker der, når et aktionspotentiale rammer enden af sit axon og er klar til at gøre mere end at springe over myelinskederne … og springe hele vejen videre til et andet neuron? Det finder vi ud af næste gang!
Denne gang lærte du, hvordan din krop er som én stor pose med batterier, og hvordan ionkanaler i dine neuroner regulerer denne elektrokemi for at skabe et aktionspotentiale, fra hviletilstand til depolarisering til repolarisering og en kort periode med hyperpolarisering.
