การทำงานของเซลล์ประสาท

การทำงานของเซลล์ประสาท

การเคลื่อนที่ของกระแสประสาทภายในเซลล์

นักวิทยาศาสตร์พบว่า กระแสประสาทเคลื่อนที่ไปได้โดยมีการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าเกิดขึ้นและเมื่อนักวิทยาศาสตร์ใช้เครื่องมือวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างภายในและภายนอกเซลล์ในสภาพปกติและขณะเกิดกระแสประสาท  จึงสรุปได้ว่าการเคลื่อนที่ของกระแสประสาท  เป็นการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ทางไฟฟ้าและการเปลี่ยนแปลงทางเคมีพร้อมกันไปการเปลี่ยนแปลงนี้ต้องการออกซิเจนและพลังงานเพิ่มขึ้นด้วย  การเคลื่อนของกระแสประสาท  แบ่งเป็น 3 ขั้นตอน คือ

1) ระยะก่อนถูกกระตุ้น (polarization)
สารละลายภายในและภายนอกเซลล์ประสาทจะมีประจุไฟฟ้าต่างกันประมาณ -60 มิลลิโวลต์  โดยนอกเซลล์จะมีประจุไฟฟ้าบวก  และสารละลายภายนอกเซลล์ส่วนใหญ่ประกอบด้วย Na+และ Cl- ส่วนภายในเซลล์มีประจุไฟฟ้าลบ  เนื่องจากประกอบด้วย K+ และอินทรียสารซึ่งมีประจุลบในสภาปกติจะพบ K+ อยู่ภายในเซลล์มากกว่าภายนอก (ไม่ต่ำกว่า 25 เท่า) และพบ Na+ อยู่ภายนอกเซลล์มากกว่าภายใน (มากกว่า 10 เท่า) แสดงว่าเยื่อหุ้มเซลล์จะดึง K+ เข้ามาภายในเซลล์  และส่ง Na+ ออกนอกเซลล์  ตลอดเวลาด้วยวิธี  แอกทีฟทรานสปอร์ต (active transport) เรียกขบวนการนี้ว่า  โซเดียม-โพแทสเซียมปั๊ม (sodium potassium pump)

2) ระยะเมื่อถูกกระตุ้น (depolarization)
เมื่อมีสิ่งเร้ามากระตุ้นเซลล์ประสาท  จะทำให้คุณสมบัติของเยื่อหุ้มเซลล์ตรงนั้นเปลี่ยนไปชั่วคราว  คือยอมให้ Na+ ภายนอกแพร่เข้าไปภายในเซลล์ได้  ผิวในของเยื่อหุ้มเซลล์ตรงที่  Na+ เข้าไปจะมีประจุบวกเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ  จนเปลี่ยนเป็ประจุบวกและผิวนอกที่สูญเสีย Na+ จะเปลี่ยนเป็นประจุลบ (การเปลี่ยนแปลงประจุนี้ใช้เวลา 1/100 วินาที)

เมื่อความต่างศักย์ไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงจาก -60มิลลิโวลต์ เป็น +60 มิลลิโวลต์ ทันทีที่ บริเวณหนึ่งมีศักย์ไฟฟ้าต่างจากบริเวณถัดไป จะกระตุ้นเซลล์ประสาทบริเวณถัดไปทั้ง 2 ข้าง ให้เกิดสลับขั้วต่อไปเรื่อย ๆ ปรากฏการณ์เช่นนี้ คือสัญญาณที่แสดงถึงการเคลื่อนที่ของกระแสประสาท (nerve impulse action potential) อันเกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าทางเคมี

3) การกลับเข้าสู่สภาพปกติ (repolarization)
เมื่อ Na+ ผ่านเข้ามาในเซลล์ K+ ก็จะแพร่ออกจากเซลล์ทำให้ประจุไฟฟ้าที่ผิวนอกและผิวในของเยื่อหุ้มเซลล์กลับคืนสู่สภาพเดิม  และในช่วงเวลาใกล้เคียงกันเมื่อกระแสประสาทผ่านไปแล้ว  เซลล์ประสาทจะขับ Na+ ออกและดึง K+ เข้าเซลล์ด้วยกระบวนการโซเดียม – โพแทสเซียมปั๊ม  เพื่อให้เซลล์กลับคืนสู่สภาพปกติ  สามารถนำกระแสประสาทต่อไปได้

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์ประสาทรวดเร็วมาก  และใยประสาทชนิดที่มีเยื่อไมอีลินหุ้มจะนำกระแสประสาทได้รวดเร็ว  เพราะการแลกเปลี่ยนประจุไฟฟ้าจะเกิดขึ้นที่ โนดออฟเรนเวียร์เท่านั้นส่วนใยประสาทชนิดที่ไม่มีเยื่อไมอีลินหุ้ม  การแลกเปลี่ยนประจุไฟฟ้าจะเกิดขึ้นทุกตำแหน่ง  ถัดกันไปความเร็วของกระแสประสาทยังขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของใยประสาทด้วย  โดยทั่วไป ความเร็วของกระแสประสาทจะเพิ่มขึ้น 1 เมตรต่อวินาที  เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางเพิ่มขึ้นเฉลี่ย 1 ไมครอน  ดังนั้นใยประสาทได้เร็วคือ ใยประสาทที่มีขนาดใหญ่และมีเยื่อไมอีลินหุ้ม

เซลล์ประสาทที่ไม่มีเยื่อไมอีลินหุ้มนำกระแสประสาทด้วยความเร็ว 12 เมตรต่อวินาทีส่วนเซลล์ประสาทที่มีเยื่อไมอีลินหุ้มนำกระแสประสาทด้วยความเร็ว 120 เมตรต่อวินาที

การเกิดกระแสประสาท

         สิ่งเร้าชนิดต่างๆ เช่น เสียง ความร้อน สารเคมีที่มากระตุ้นหน่วยรับความรู้สึกจะถูกเปลี่ยนให้เป็นกระแสประสาท

           กระแสประสาทคืออะไร มีกลไกการเกิดและวิธีวัดอย่างไร เป็นที่สงสัยของนักวิทยาศาสตร์มานานแล้ว จากการวิจัยของนักสรีรวิทยาหลายท่าน โดยเฉพาะ  ฮอดจ์กิน (A.L. Hodgkin) และ  ฮักซเลย์  (A.F. Huxley) ผู้ได้รับรางวัลโนเบลในปี พ.ศ. 2506 ทำให้ทราบว่ากระแสประสาทเกิดได้อย่างไร โดยการนำ  ไมโครอิเล็กโทรด (microelectrode) ซึ่งมีลักษณะเป็นหลอกแก้วที่ดึงยาว ตรงปลายเรียวเป็นท่อขนาดเล็กมาต่อกับ  มาตรวัดความต่างศักย์ไฟฟ้า  (cathode rayoscilloscope) จากนั้นเสียบปลายของไมโครอิเล็กโทรดเข้าไปในแอกซอนของหมึกและแตะปลายอีกข้างหนึ่งที่ด้านผิวนอกของแอกซอนของหมึก ดังภาพที่ 8-12

ภาพที่ 8-12 การวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างภายนอกและภายในเซลล์ประสาทของหมึก

        จากการทดลองสามารถวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างภายในและภายนอกเซลล์ประสาทของหมึก พบว่ามีค่าประมาณ -70 มิลลิโวลต์ซึ่งเป็น  ศักย์เยื่อเซลล์ระยะพัก  (resting membrane potential) เยื่อหุ้มเซลล์มีโปรตีนทำหน้าที่ควบคุมการเข้าออกของไอออนบางชนิดเช่น Na⁺ เรียกว่าช่องโซเดียม และ K⁺ เรียกว่าช่องโพแทสเซียม

         ขณะเซลล์ประสาทยังไม่ถูกกระตุ้น พบว่าสารละลายภายนอกเซลล์มี   สูงกว่าสารละลายภายในเซลล์ ขณะที่สารละลายภายในเซลล์มี  สูงกว่าสารละลายภายนอกเซลล์ การที่เซลล์สามารถดำรงความเข้มข้นของไอออนที่แตกต่างกันนี้เพราะอาศัยพลังงานจาก ATP ไปดัน   ออกไปนอกเซลล์ทางช่องโซเดียม พร้องกับดึง เข้าไปในเซลล์ทางช่องโพแทสเซียม ในอัตราส่วน เรียกกระบวนการนี้ว่า โซเดียมโพแทสเซียมปั้ม (sodium-potassium pump) ดังภาพที่ 8-13

ภาพที่ 8-13 โซเดียมโพแทสเซียมปั้มในระยะพัก

     นอกจากนี้  ซึ่งสะสมอยู่ภายในเซลล์มากกว่าภายนอกเซลล์สามารถรั่วออกมาจากเซลล์ประสาทได้บ้าง ประกอบกับภายในเซลล์ประสาทมีสารอินทรีย์ที่มีขนาดใหญ่ และไม่สามารถผ่านออกไปนอกเซลล์อยู่เป็นจำนวนมาก เช่น โปรตีน กรดนิวคลีอิกซึ่งเป็นสารที่มีประจุลบ ดังนั้นการที่  ออกนอกเซลล์ซึ่งเป็นการเอาประจุบวกออกไปด้วยและภายในเซลล์มีประจุลบของสารอินทรีย์จึงทำให้ภายในเซลล์มีผลรวมของประจุเป็นลบ

      เมื่อมีสิ่งเร้ามากระตุ้นเซลล์ประสาทในระดับที่เซลล์สามารถตอบสนองได้ จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของศักย์เยื่อเซลล์ คือทำให้ช่องโซเดียมเปิด  จึงพรูเข้าไปในเซลล์มากขึ้น ภายในเซลล์จะเป็นลบน้อยลง และมีความเป็นบวกมากขึ้น ความต่างศักย์ที่เยื่อเซลล์จะเปลี่ยนจาก -70 มิลลิโวลต์ เป็น +50 มิลลิโวลต์เรียกว่า ดีโพรลาไรเซชัน  (depolarization)

      เมื่อ  ผ่านเข้าไปในเซลล์สักครู่หนึ่ง ช่องโซเดียมจะปิดขณะที่ช่องโพรแทสเซียมจะเปิด ทำให้  พรูออกนอกเซลล์ได้ทำให้เซลล์สูญเสียประจุบวกและภายในเซลล์เปลี่ยนเป็นประจุลบเรียกว่า  รีโพรลาไรเซชัน (repolarization) ความต่างศักย์จะเปลี่ยนกลับจาก +50 มิลลิโวลต์ เป็น -70 มิลลิโวลต์ กลับสู่สภาพเดิม ดังภาพที่ 8-14

ภาพที่ 8-14 การเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าขณะที่เซลล์ประสาทถูกกระตุ้น

     การเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ดังกล่าวนี้เรียกว่า แอกชันโพเทนเชียล (action potentail) หรือ กระแสประสาท (nerve impulse)การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นตรงบริเวณที่ถูกกระตุ้นจะชักนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่บริเวณถัดไป ขณะบริเวณที่เกิดเอกชันโพเทนเชียลแล้วจะกลับสู่สภาพศักย์เยื่อเซลล์ประสาทระยะพักอีกครั้งหนึ่งเป็นเช่นนี้ไปเลื่อยๆ มีผลให้กระแสประสาทเคลื่อนที่ไปตามความยาวของใยประสาทแบบจุดต่อจุดต่อเนื่องกันของแอกซอนที่ไม่มีเยื่อไมอีลินหุ้ม ดังภาพที่ 8-15

ภาพที่ 8-15 การเคลื่อนที่ของกระแสประสาทของใยประสาทที่ไม่มีเยื่อไมอีลินหุ้ม

-ถ้าเซลล์ประสาทไม่มีการขับ  ออกจากเซลล์และดึง เข้าสู่เซลล์ใหม่

        นักเรียนคิดว่าจะเกิดอะไรขึ้นนักวิทยาศาสตร์พบว่าการเกิดแอกชันโพเทนเชียลต้องอาศัยช่วงเวลาหนึ่ง ดังนั้นถ้ากระต้นเซลล์ประสาทในขณะที่ยังเกิดแอกชันโพเทนเชียลอยู่ เซลล์ประสาทจะไม่ตอบสนอง กระแสประสาทจึงไม่เกิดขึ้นในระลอกใหม่

       เยื่อไมอีลินเกี่ยวข้องกับความเร็วของกระแสประสาทหรือไม่อย่างไร กรณีที่ใยประสาทมีเยื่ไมอีลินหุ้ม เยื่อไมอีลินจะทำหน้าที่เป็นฉนวนกั้นประจุไฟฟ้าที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ดังนั้นแอกซอนตรงบริเวณที่มีเยื่อไมอีลินหุ้มจะไม่มีแอกชันโพเทนเชียลเกิดขึ้น แอกชันโพเทนเชียลจะเคลื่อนที่บริเวณโนดออฟแรนเวียร์หนึ่งไปยังอีกโนดออฟแรนเวียร์หนึ่งตลอดความยาวของใยประสาท เนื่องจางดีโพลาไรเซชันเกิดจากการเคลื่อนที่ข้าวของ  บริเวณโนดออฟแรนเวียร์ แผ่ไปยังบริเวณถัดไป ดังนั้นการเคลื่อนที่ของกระแสประสาทในใยประสาทที่มีเยื่อไมอีลินหุ้มจึงเป็นเสมือนกระโดจากโนดออฟแรนเวียร์หนึ่งไปยังอีกโนดออฟแรนเวียร์หนึ่ง ดังภาพที่ 8-16 ซึ่งใช้เวลาน้อยกว่าการเคลื่อนที่ของกระแสประสาทในใยประสาทที่ไม่มีเยื่อไมอีลินหุ้ม

ภาพที่ 8-16 การเคลื่อนที่ของกระแสประสาทไปตามแอกซอนที่มีเยื่อไมอีลินหุ้ม

        นอกจากนี้ยังมีปัจจัยใดอีกบ้างที่มีผลต่อความเร็วของกระแสประสาทไปตามใยประสาทที่ไม่มีเยื่อไมอีลินนักวิทยาศาสตร์พบว่า ความเร็วของกระแสประสาทในแอกซอนที่ไม่มีเยื่อไมอีลินหุ้มยังขึ้นอยู่กับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของใยประสาท ถ้าใยประสาทมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่จะนำกระแสประสาทได้เร็วกว่าขนาดเล็ก เพราะความต้านทานการเคลื่อนที่ของไอออนจะแปรผกผันกับพื้นที่ตัดขวางของใยประสาท นอกจากนี้ยังพบว่าแอกซอนที่มีเยื่อไมอีลินหุ้มที่มีระยะห่างของโนดออฟแรนเวียร์มากกว่า จะมีการเคลื่อนที่ของกระแสประสาทได้เร็วกว่า

เชื่องโยงกับฟิสิกส์

ความต้านทาน R ของเส้นลวด หรือวัตถุ L ที่มีพื้นที่ภาคตัดขวาง A ความต้านทานจะแปรผกผันกับพื้นที่ภาคตัดขวาง ดังสูตร   R=pl/A       pเป็นค่าคงตัวเรียกว่าสภาพต้านทานมีหน่วยเป็นไฮห์มเตร       R มีหน่วยเป็นโอห์ม

       

  เมื่อกระแสประสาทเคลื่อนที่ไปถึงปลายแอกซอนแล้วกระแสประสาทจะถ่ายทอดไปสู่อีกเซลล์หนึ่งได้อย่างไร

การถ่ายทอดกระแสประสาทระหว่างเซลล์ประสาท

        นักวิทยาศาสตร์ชื่อ ออทโต ลอวิ (Otto Loewi) ได้ทำการทดลองนำหัวใจกบที่ยังมีชีวิตและยังมีเส้นประสาทสมองคู่ที่ 10ติดอยู่ มาใส่ในแก้วที่มีน้ำเกลือ แล้วกระตุ้นเซลล์ประสาทดังกล่าวด้วยกระแสไฟฟ้า พบว่าหัวใจของกบเต้นช้าลง เมื่อดูดสารละลายจากแก้วที่ 1 มาใส่ลงในแก้วที่ 2 ซึ่งมีหัวใจกบที่ตัดเอาเส้นประสาทสมองคู่ที่ 10 ออกไป ดังภาพที่ 8-17 พบว่าหัวใจของกบในแก้วที่ 2 มีอัตราการเต้นของหัวใจช้าลงเช่นเดียวกัน การทดลองครั้งนี้บอกอะไรแก่เรา

ภาพที่8-17 การทดลองของออทโต ลอวิ

         การทดลองครั้งนี้แสดงให้เห็นว่าการกระตุ้นเส้นประสาทสมองคู่ที่ 10 จะทำให้เกิดการปล่อยสารบางชนิดออกมายับยั้งการทำงานของกล้ามเนื้อหัวใจ เช่นเดียวกับการกระตุ้นใยประสาทที่ไปเลี้ยงกล้ามเนื้อนั้นโดยมีการหลั่งสารจากปลายประสาทกระตุ้นให้กล้ามเนื้อหดตัว สารที่หลั่งออกจากจากใยประสาทเรียกว่า สารสื่อประสาท (neurotransmitter)

       ต่อมามีการค้นพบว่าที่บริเวณปลายแอกซอนมีสารดังกล่าวที่ปริมาณสูงมาก ทำหน้าที่เป็นตัวกลางถ่ายทอดกระแสประสาทจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง ปัจจุบันพบว่าสารสื่อประสาทมีหลายชนิด เช่นแอซิติลโคลีน (acetylcholine)  นอร์เอพิเนฟริน (nor epinephrine) เอนดอร์ฟิน (endorphin) เป็นต้น ซึ่งจากการทดลองของออทโต ลอวิ พบว่าสารที่หลั่งออกมาขากเส้นประสาทสมองคู่ที่ 10 เมื่อกระตุ้นด้วยกระแสไฟฟ้า คือ แอซิตินโคลีนนั่นเอง

        เมื่อศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน พบว่าลอยต่อระหว่างเซลล์ประสาทที่เรียกว่า ไซแนปส์นั้นจะมีช่องขนาด 0.02ไมโครเมตร คั่นอยู่ ทำให้กระแสประสาทไม่สามารถข้ามผ่านไซแนปส์ได้ที่ปลายแอกซอนจะมีถุงขนาดเล็กและไมโทคอนเดรียสะสมอยู่มากภายในถุงเหล่านี้จะบรรจุสารสื่อประสาท เมื่อกระแสประสาทเคลื่อนที่มาถึงปลายแอกซอน ถุงเล็กๆ ดังกล่าวจะเคลื่อนไปรวมตัวกับเยื่อหุ้มเซลล์ตรงบริเวณไซแนปส์ และปล่อยสารสื่อประสาทออกมา เพื่อกระตุ้นเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ถัดไปทำให้เซลล์ประสาทที่ถูกกระตุ้นมีกระแสประสาทเกิดขึ้นและถูกถ่ายทอดต่อไปจนถึงปลายทาง

       เมื่อสารสื่อประสาทถูกปล่อยออกมาจากถุงบรรจุสารสื่อประสาทที่เยื่อหุ้มปลายแอกซอนเข้าสู่ช่องไซแนปส์ สารสื่อประสาทจะไปจับกับโปรตีนตัวรับที่เยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ประสาทหลังไซแนปส์ดังภาพที่ 8-18 ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของไอออนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เกิดการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ที่เดนไดรต์ของเซลล์ประสาทหลังไซแนปส์ และทำให้เกิดการส่งกระแสประสาทต่อไป

ภาพที่ 8-18 สารสื่อประสาทผ่านช่องไซแนปส์

       สารสื่อประสาทที่เหลืออยู่ในช่องไซแนปส์ จะถูกสลายโดนเอนไซม์ สารที่ได้จากการสลายอาจจะนำกลับเข้าไปสร้างสารสื่อประสาทใหม่ บางส่วนกำจัดออกทางระบบเลือด ดังนั้นเดนไดรต์จึงถูกกระตุ้นเฉพาะเวลาที่แอกซอนปล่อยสารสื่อประสาทออกมาในช่วงสั้นๆ เท่านั้น

-ถ้าไม่มีการส่งสารสื่อประสาทจากแอกซอนของเซลล์ประสาทก่อนไซแนปส์จะเกิดกระแสประสาทขึ้นที่เดนไดรต์ของเซลล์ประสาทหลังไซแนปส์หรือไม่

-การที่สารสื่อประสาทสร้างที่ปลายแอกซอนเท่านั้นแต่ไม่สร้างที่ปลายเดนไดรต์ ลักษณะดังกล่าวจะมีผลต่อทิศทางการเคลื่อนที่ของกระแสประสาทอย่างไร

-นักเรียนคิดว่าการสลายตัวอย่างรวดเร็วของสารสื่อประสาทมีความสำคัญต่อร่างกายอย่างไร  ปัจจุบันพบว่ายาหลายชนิดมีผลต่อการถ่ายทอดกระแส

        ประสาทที่ไซแนปส์ เช่น ยาระงับประสาททำให้สารสื่อประสาทถูกปล่อยออกมาน้อย กระแสประสาทจึงส่งไปยังสมองน้อยลงทำให้มีอาการสงบไม่วิตกกังวล สารจำพวกนิโคติน คาเฟอีนแอมเฟตามีนจะไปกระตุ้นให้แอกซอนปล่อยสารสื่อประสาทออกมามาก ทำให้เกิดการตื่นตัว หัวใจเต้นเร็ว สำหรับยาฆ่าแมลงบางชนิดยังสามารถยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ที่จะมาสลายสารสื่อประสาท เป็นต้น ในการณีเช่นนี้จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อร่างกายได้รับยาฆ่าแมลงชนิดนี้เข้าไป 

อ้างอิง http://www.vcharkarn.com/lesson/1273