是不是常聽到神經是靠電來傳導呢?沒錯,神經細胞就是透過電訊號溝通,也就是所謂的「動作電位」來傳遞,如電纜線般把身體各個部位連接在一起,互相協調與溝通,才交織出認知、記憶、情感、感覺、運動等功能喔!
神經細胞的結構大致可分為「細胞本體」、「樹突」與「軸突」三大部分,樹突分枝多,具有受體,負責接收傳入細胞體的訊息;軸突通常比樹突長,可將訊息傳出細胞本體,軸突靠近細胞本體的隆起處稱為軸丘,為動作電位的產生處。神經細胞之間則靠「突觸」來連結。突觸前的神經細胞,會在狹小的突觸空間裡,釋放各式各樣的神經傳導因子,來活化突觸後的細胞產生動作電位並傳遞訊號。
神經細胞結構包含細胞本體、樹突、軸突,軸突靠近細胞本體的隆起處為軸丘,軸突上被神經膠細胞(寡突膠細胞或許旺細胞)包裹、形成絕緣層的部份稱為髓鞘,突觸是神經細胞間聯絡的構造。(圖片來源:國研院動物中心) 動作電位-鈉鉀離子運動會
神經細胞透過電訊號溝通,主要是藉由觸發細胞膜上離子通道一連串的打開、關閉,讓細胞內外的鉀離子、鈉離子依照濃度梯度移動,由離子濃度高的地方,往低的地方運輸,造成膜電位的改變,產生「動作電位」。
神經細胞動作電位的產生可分為四個階段-極化、去極化、再極化、過極化:
- 極化:神經細胞在休息狀態下的膜電位處於約 -70 毫伏特(mV),稱為「靜止膜電位」,細胞膜內帶負電、膜外環境帶正電,這種兩極化的電荷環境,稱為「極化」。
- 去極化:當神經細胞樹突上的受體,接收來自突觸前細胞的神經傳導因子,如:麩胺酸、多巴胺等,對應到的受體會接收到因子並活化打開,讓帶正電的鈉、鈣等離子進入細胞膜而提升膜電位。當電位通過軸突前端的「軸丘」時,若電位高於鈉離子通道的閾值,則會開啟「電位依賴性鈉離子通道」使大量的鈉離子往細胞內流動,產生「去極化」的現象,讓膜電位變成帶正電(約+40 mV)。有趣的是,一顆神經細胞接收來自於成千上萬個不同型態的突觸,有興奮性也有抑制性訊號,而是否會產生動作電位,端看最終膜電位是否達到閾值囉。
- 再極化:當膜電位達到高峰時,鈉離子通道會關閉,同時開啟鉀離子通道,讓細胞內的鉀離子流出細胞,以平衡膜內過多的正電荷,讓膜電位再回到帶負電的狀態,便稱為「再極化」。
- 過極化:當膜電位回復到-70 mV時,鉀離子通道才準備關閉,鉀離子還在持續流出細胞時,造成電位低於靜止膜電位的「過極化」現象。而在此時鈉鉀離子幫浦也會出動,消耗能量幫忙把鈉離子打出細胞、把鉀離子打進細胞,讓內外膜電位以及鈉鉀離子濃度恢復成最初的極化狀態。
動作電位產生四階段:(1) 極化-神經細胞在休息狀態時膜內帶負電、膜外帶正電,靜止膜電位約 -70 mV。 (2) 去極化-細胞接受刺激或動作電位傳遞,細胞膜上的電位依賴性鈉離子通道部份開啟,鈉離子進入細胞內,膜電位上升。 (3) 膜電位上升超過閾值,引發大量鈉離子通道開啟,膜電位更正,達動作電位高峰。 (4) 再極化-鈉離子通道迅速關閉,鉀離子通道開啟、鉀離子離開細胞。 (5) 過極化-鉀離子通道延遲關閉,膜電位降至靜止膜電位以下。最後,鉀離子通道關閉,膜電位回復到極化狀態。(動畫來源:國研院動物中心) 神經細胞在傳遞訊息時,「電位依賴性離子通道」就像是一道道相鄰排列的電訊號控制門,受刺激或鄰近區域產生動作電位,膜電位的改變在極短時間內觸發控制門快速開關,鈉、鉀離子透過通道在細胞膜內外流動,引發接續性膜電位改變和傳遞,儼然就是一場鈉鉀離子運動會!
電位快速傳導秘技-跳躍式接力賽跑
而神經細胞就像電線需要絕緣,是靠著「髓鞘」來促進電位的快速傳導。中樞與周邊神經系統的髓鞘,分別由寡突膠細胞與許旺細胞負責,髓鞘具有絕緣效果,像瑞士捲般層層緊密地纏繞著軸突;髓鞘與髓鞘之間、有個密佈離子通道的空隙稱為「蘭氏節」。
因為髓鞘具有絕緣效果,動作電位僅能在蘭氏節上傳導,像接力賽跑一樣,引發新的動作電位從這節跳到下一節傳遞下去,像連環跳般的跳躍式傳導,直達神經細胞末梢。跳躍傳導不僅可以增加動作電位的傳遞速度,並且減少能量的耗損,讓訊息傳遞更加有效率。
神經系統就是藉由軸突、樹突與突觸交織成緊羅密布的神經網絡結構,以及品質良好的動作電位來快速且正確地傳遞彼此之間的訊息,讓神經系統可以順暢的運作互相聯絡溝通,以完成個體的認知、感覺或運動功能。像是一個交響樂團,各樂手齊心協力流暢的演奏,譜出一段動人心弦的優美樂章,而這,就是讓你會哭、會笑、能跑、能跳的大腦!