Heading

Czego się nauczysz: identyfikować podstawowe struktury neuronu, funkcje każdej struktury i jak wiadomości wędrują przez neuron

Rysunek 1. Neuron w hodowli tkankowej.

Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak właściwie działa Twój mózg? Co dokładnie dzieje się wewnątrz twojej małej, pomarszczonej masy, gdy czytasz ten tekst? W tej części dowiesz się o podstawach komunikacji neuronalnej w mózgu, która jest sposobem mózgu na wysyłanie wiadomości do i z różnych regionów w celu przekazywania krytycznych informacji o twoim ciele i jego otoczeniu.

Glejki i neurony to dwa typy komórek, które tworzą układ nerwowy. Podczas gdy glia generalnie odgrywają role pomocnicze, komunikacja między neuronami jest fundamentalna dla wszystkich funkcji związanych z układem nerwowym. Komunikacja między neuronami jest możliwa dzięki wyspecjalizowanym strukturom neuronu, takim jak soma, dendryty, aksony, guzki końcowe i pęcherzyki synaptyczne.

Komunikacja między neuronami jest zdarzeniem elektrochemicznym. Dendryty zawierają receptory dla neurotransmiterów uwalnianych przez pobliskie neurony. Jeśli sygnały otrzymane od innych neuronów są wystarczająco silne, potencjał czynnościowy przemieszcza się w dół aksonu do zacisków, powodując uwolnienie neuroprzekaźników do synapsy.

Różne neuroprzekaźniki są związane z różnymi funkcjami. Często zaburzenia psychologiczne wiążą się z brakiem równowagi w danym układzie neuroprzekaźników. Dlatego też leki psychotropowe są przepisywane w celu przywrócenia równowagi neuroprzekaźników. Leki mogą działać albo jako agoniści, albo jako antagoniści danego układu neuroprzekaźników.

Neurony

Psychologowie dążący do zrozumienia ludzkiego umysłu mogą badać układ nerwowy. Nauka, jak komórki i narządy (jak mózg) funkcjonują, pomagają nam zrozumieć biologiczne podstawy ludzkiej psychologii. Układ nerwowy składa się z dwóch podstawowych typów komórek: komórek glejowych (znanych również jako glia) i neuronów. Tradycyjnie uważa się, że komórki glejowe, których liczba dziesięciokrotnie przewyższa liczbę neuronów, pełnią rolę pomocniczą dla neuronów, zarówno pod względem fizycznym, jak i metabolicznym. Komórki glejowe zapewniają rusztowanie, na którym zbudowany jest układ nerwowy, pomagają neuronom ustawić się blisko siebie, aby umożliwić komunikację między neuronami, zapewniają neuronom izolację, transportują składniki odżywcze i produkty odpadowe oraz pośredniczą w reakcjach immunologicznych. Neurony, z drugiej strony, służą jako połączone ze sobą procesory informacji, które są niezbędne dla wszystkich zadań układu nerwowego. W tym rozdziale krótko opisano strukturę i funkcje neuronów.

Sztuka neuronów

Neurony są centralnym budulcem układu nerwowego, 100 miliardów w momencie narodzin. Jak wszystkie komórki, neurony składają się z kilku różnych części, z których każda pełni wyspecjalizowaną funkcję. Zewnętrzna powierzchnia neuronu jest zbudowana z półprzepuszczalnej błony. Ta błona pozwala mniejszym cząsteczkom i cząsteczkom bez ładunku elektrycznego przechodzić przez nią, podczas gdy zatrzymuje większe lub silnie naładowane cząsteczki.

Rysunek 1. Ilustracja przedstawia prototypowy neuron, który jest mielinizowany.

Jądro neuronu znajduje się w somie, czyli ciele komórkowym. Soma ma rozgałęziające się przedłużenia zwane dendrytami. Neuron jest małym procesorem informacji, a dendryty służą jako miejsca wejściowe, gdzie sygnały są odbierane od innych neuronów. Sygnały te są przekazywane elektrycznie w poprzek somy i w dół głównego przedłużenia somy, zwanego aksonem, który kończy się na wielu terminalnych guzkach. Guziki końcowe zawierają pęcherzyki synaptyczne, w których znajdują się neurotransmitery, chemiczni posłańcy układu nerwowego.

Aksony mają długość od ułamka cala do kilku stóp. W niektórych aksonach komórki glejowe tworzą substancję tłuszczową zwaną otoczką mielinową, która pokrywa akson i działa jak izolator, zwiększając prędkość, z jaką przemieszcza się sygnał. Otoczka mielinowa ma kluczowe znaczenie dla normalnego funkcjonowania neuronów w układzie nerwowym: utrata izolacji, którą zapewnia, może być szkodliwa dla normalnego funkcjonowania. Aby zrozumieć, jak to działa, weźmy pod uwagę przykład. Stwardnienie rozsiane (SM), choroba autoimmunologiczna, wiąże się z utratą na dużą skalę osłonki mielinowej na aksonach w całym układzie nerwowym. Wynikające z tego zakłócenia sygnału elektrycznego uniemożliwiają szybkie przekazywanie informacji przez neurony i mogą prowadzić do szeregu objawów, takich jak zawroty głowy, zmęczenie, utrata kontroli motorycznej i zaburzenia funkcji seksualnych. Podczas gdy niektóre metody leczenia mogą pomóc w modyfikacji przebiegu choroby i zarządzaniu niektórymi objawami, obecnie nie jest znane żadne lekarstwo na stwardnienie rozsiane.

W zdrowych osobach, sygnał neuronowy szybko przemieszcza się w dół aksonu do przycisków końcowych, gdzie pęcherzyki synaptyczne uwalniają neuroprzekaźniki do synapsy. Synapsa to bardzo mała przestrzeń między dwoma neuronami i jest ważnym miejscem, w którym zachodzi komunikacja między neuronami. Po uwolnieniu neuroprzekaźników do synapsy, przemieszczają się one przez małą przestrzeń i wiążą się z odpowiednimi receptorami na dendrycie sąsiedniego neuronu. Receptory, białka na powierzchni komórki, do których przyłączają się neuroprzekaźniki, różnią się kształtem, a różne kształty „pasują” do różnych neuroprzekaźników.

Jak neuroprzekaźnik „wie”, z którym receptorem się związać? Neuroprzekaźnik i receptor mają to, co nazywamy relacją zamek-klucz – specyficzne neuroprzekaźniki pasują do specyficznych receptorów, podobnie jak klucz pasuje do zamka. Neuroprzekaźnik wiąże się z każdym receptorem, do którego pasuje.

Ryc. 2. (a) Synapsa to przestrzeń pomiędzy terminalnym guziczkiem jednego neuronu a dendrytem innego neuronu. (b) Na tym pseudokolorowym obrazie ze skaningowego mikroskopu elektronowego, przycisk końcowy (zielony) został otwarty, aby odsłonić znajdujące się w nim pęcherzyki synaptyczne (pomarańczowy i niebieski). Każda pęcherzyk zawiera około 10,000 cząsteczek neuroprzekaźnika. (kredyt b: modyfikacja pracy autorstwa Tiny Carvalho, NIH-NIGMS; skala -bar data from Matt Russell)

Teraz, gdy poznaliśmy podstawowe struktury neuronu i rolę, jaką te struktury odgrywają w komunikacji neuronalnej, przyjrzyjmy się bliżej samemu sygnałowi – jak przemieszcza się on przez neuron, a następnie przeskakuje do następnego neuronu, gdzie proces ten jest powtarzany.

Zaczynamy od błony neuronu. Neuron istnieje w płynnym środowisku – jest otoczony przez płyn pozakomórkowy i zawiera płyn wewnątrzkomórkowy (tj. cytoplazmę). Błona neuronu utrzymuje te dwa płyny oddzielnie – jest to krytyczna rola, ponieważ sygnał elektryczny, który przechodzi przez neuron zależy od tego, czy płyny wewnątrz- i zewnątrzkomórkowe są elektrycznie różne. Ta różnica ładunków w błonie, zwana potencjałem membranowym, dostarcza energii dla sygnału.

Ładunek elektryczny płynów jest spowodowany przez naładowane cząsteczki (jony) rozpuszczone w płynie. Półprzepuszczalna natura błony neuronu w pewien sposób ogranicza ruch tych naładowanych cząsteczek, w wyniku czego niektóre z naładowanych cząsteczek mają tendencję do skupiania się wewnątrz lub na zewnątrz komórki.

Pomiędzy sygnałami potencjał błony neuronu utrzymuje się w stanie gotowości, zwanym potencjałem spoczynkowym. Jak gumka recepturka rozciągnięta i czekająca na rozpoczęcie działania, jony ustawiają się po obu stronach błony komórkowej, gotowe do pospiesznego przekroczenia błony, kiedy neuron staje się aktywny, a błona otwiera swoje wrota (tj. pompę sodowo-potasową, która umożliwia ruch jonów przez błonę). Jony w obszarach o wysokim stężeniu są gotowe do przemieszczania się do obszarów o niskim stężeniu, a jony dodatnie są gotowe do przemieszczania się do obszarów o ładunku ujemnym.

W stanie spoczynku sód (Na+) ma wyższe stężenie na zewnątrz komórki, więc będzie miał tendencję do przemieszczania się do komórki. Potas (K+), z drugiej strony, jest bardziej skoncentrowany wewnątrz komórki i będzie miał tendencję do przemieszczania się poza komórkę (Rysunek 3). Ponadto, wnętrze komórki jest naładowane ujemnie w porównaniu z otoczeniem. Stanowi to dodatkową siłę na sód, powodując jego przemieszczanie się do wnętrza komórki.

Rysunek 3. Przy potencjale spoczynkowym, Na+ (niebieskie pięciokąty) jest bardziej skoncentrowany na zewnątrz komórki w płynie zewnątrzkomórkowym (pokazanym na niebiesko), podczas gdy K+ (fioletowe kwadraty) jest bardziej skoncentrowany w pobliżu błony w cytoplazmie lub płynie wewnątrzkomórkowym. Inne cząsteczki, takie jak jony chlorkowe (żółte kółka) i ujemnie naładowane białka (brązowe kwadraty), przyczyniają się do dodatniego ładunku netto w płynie zewnątrzkomórkowym i ujemnego ładunku netto w płynie wewnątrzkomórkowym.

Z tego stanu potencjału spoczynkowego neuron otrzymuje sygnał i jego stan gwałtownie się zmienia (rysunek 4). Kiedy neuron odbiera sygnały w dendrytach – w wyniku wiązania się neuroprzekaźników z sąsiedniego neuronu z jego receptorami – małe pory lub bramy otwierają się na błonie neuronu, pozwalając jonom Na+, napędzanym zarówno przez ładunek, jak i różnice stężeń, przemieszczać się do wnętrza komórki. Wraz z tym napływem jonów dodatnich, wewnętrzny ładunek komórki staje się bardziej dodatni. Jeśli ładunek ten osiągnie pewien poziom, zwany progiem pobudzenia, neuron staje się aktywny i rozpoczyna się powstawanie potencjału czynnościowego. Ten proces, w którym ładunek komórki staje się dodatni lub mniej ujemny, nazywa się depolaryzacją.

Wiele dodatkowych porów otwiera się, powodując masywny napływ jonów Na+ i ogromny dodatni skok potencjału błonowego, szczytowy potencjał czynnościowy. W szczytowym momencie skoku zamykają się bramki sodowe, a otwierają bramki potasowe. Gdy dodatnio naładowane jony potasu opuszczają komórkę, szybko rozpoczyna się repolaryzacja. Na początku hiperpolaryzuje się, stając się nieco bardziej ujemna niż potencjał spoczynkowy, a następnie wyrównuje się, wracając do potencjału spoczynkowego.

Rysunek 4. Podczas potencjału czynnościowego ładunek elektryczny w błonie ulega gwałtownej zmianie.

Ten dodatni skok stanowi potencjał czynnościowy: sygnał elektryczny, który zazwyczaj przemieszcza się z ciała komórki w dół aksonu do zacisków aksonalnych. Sygnał elektryczny przemieszcza się w dół aksonu jak fala; w każdym punkcie część jonów sodowych, które dostają się do komórki, dyfunduje do następnego odcinka aksonu, podnosząc ładunek powyżej progu pobudzenia i wyzwalając nowy napływ jonów sodowych. Potencjał czynnościowy przemieszcza się przez całą drogę w dół aksonu do guzków końcowych.

Potencjał czynnościowy jest zjawiskiem typu „wszystko albo nic”. W uproszczeniu oznacza to, że sygnał przychodzący z innego neuronu jest albo wystarczający, albo niewystarczający do osiągnięcia progu pobudzenia. Nie ma czegoś pomiędzy, nie ma też możliwości wyłączenia potencjału czynnościowego, gdy już się rozpocznie. Pomyśl o tym jak o wysłaniu e-maila lub wiadomości tekstowej. Możesz myśleć o wysłaniu jej ile chcesz, ale wiadomość nie zostanie wysłana dopóki nie naciśniesz przycisku „wyślij”. Co więcej, kiedy już wyślesz wiadomość, nie ma możliwości jej zatrzymania.

Ponieważ wszystko albo nic, potencjał czynnościowy jest odtwarzany, lub propagowany, z pełną mocą w każdym punkcie aksonu. Podobnie jak zapalony lont w petardzie, nie zanika on podczas podróży w dół aksonu. To właśnie ta właściwość wszystko-albo-jeden wyjaśnia fakt, że twój mózg postrzega uraz odległej części ciała, takiej jak palec u nogi, jako równie bolesny jak ten w nosie.

Jak zauważono wcześniej, kiedy potencjał czynnościowy dociera do przycisku końcowego, pęcherzyki synaptyczne uwalniają neuroprzekaźniki do synapsy. Neuroprzekaźniki przemieszczają się przez synapsę i wiążą się z receptorami na dendrytach sąsiedniego neuronu, a proces powtarza się w nowym neuronie (zakładając, że sygnał jest wystarczająco silny, aby wyzwolić potencjał czynnościowy). Gdy sygnał zostanie dostarczony, nadmiar neuroprzekaźników w synapsie odpływa, jest rozkładany na nieaktywne fragmenty lub wchłaniany ponownie w procesie zwanym wychwytem zwrotnym. Wychwyt zwrotny polega na tym, że neuroprzekaźnik jest pompowany z powrotem do neuronu, który go uwolnił, w celu oczyszczenia synapsy (rysunek 5). Oczyszczenie synapsy służy zarówno zapewnieniu wyraźnego stanu „włączony” i „wyłączony” między sygnałami, jak i regulacji produkcji neuroprzekaźnika (pełne pęcherzyki synaptyczne dają sygnały, że nie trzeba produkować dodatkowych neuroprzekaźników).

Ryc. 5. Wychwyt zwrotny polega na przeniesieniu neuroprzekaźnika z synapsy z powrotem do terminala aksonalnego, z którego został uwolniony.

Komunikacja neuronalna jest często określana jako zdarzenie elektrochemiczne. Ruch potencjału czynnościowego w dół aksonu jest zdarzeniem elektrycznym, a ruch neuroprzekaźnika przez przestrzeń synaptyczną reprezentuje chemiczną część procesu.

Neuroprzekaźniki i leki

Istnieje kilka różnych rodzajów neuroprzekaźników uwalnianych przez różne neurony, a my możemy mówić w szerokich kategoriach o rodzajach funkcji związanych z różnymi neuroprzekaźnikami (Tabela 1). Wiele z tego, co psychologowie wiedzą o funkcjach neuroprzekaźników, pochodzi z badań nad działaniem leków w zaburzeniach psychicznych. Psychologowie, którzy przyjmują perspektywę biologiczną i skupiają się na fizjologicznych przyczynach zachowania, twierdzą, że zaburzenia psychiczne, takie jak depresja i schizofrenia, są związane z brakiem równowagi w jednym lub kilku układach neuroprzekaźników. W tej perspektywie, leki psychotropowe mogą pomóc poprawić objawy związane z tymi zaburzeniami. Leki psychotropowe to leki, które leczą objawy psychiatryczne poprzez przywrócenie równowagi neuroprzekaźników.

.

Leki psychoaktywne mogą działać jako agoniści lub antagoniści dla danego układu neuroprzekaźników. Agoniści to substancje chemiczne, które naśladują neuroprzekaźnik w miejscu receptora i w ten sposób wzmacniają jego działanie. Z drugiej strony, antagonista blokuje lub utrudnia normalną aktywność neuroprzekaźnika w miejscu receptora. Leki agonistyczne i antagonistyczne są przepisywane w celu skorygowania specyficznych zaburzeń równowagi neuroprzekaźników leżących u podstaw stanu danej osoby. Na przykład choroba Parkinsona, postępujące zaburzenie układu nerwowego, jest związana z niskim poziomem dopaminy. Dlatego agoniści dopaminy, którzy naśladują działanie dopaminy poprzez wiązanie się z receptorami dopaminy, są jedną ze strategii leczenia.

Niektóre objawy schizofrenii są związane z nadmierną aktywnością neuroprzekaźnictwa dopaminy. Leki przeciwpsychotyczne stosowane w leczeniu tych objawów są antagonistami dopaminy – blokują działanie dopaminy poprzez wiązanie jej receptorów bez ich aktywacji. W ten sposób zapobiegają przekazywaniu przez dopaminę uwalnianą przez jeden neuron informacji do sąsiednich neuronów.

W przeciwieństwie do agonistów i antagonistów, którzy działają poprzez wiązanie się z miejscami receptorowymi, inhibitory wychwytu zwrotnego zapobiegają transportowaniu niewykorzystanych neuroprzekaźników z powrotem do neuronu. Dzięki temu więcej neuroprzekaźników pozostaje w synapsie przez dłuższy czas, zwiększając jej działanie. Depresja, która jest konsekwentnie związana z obniżonym poziomem serotoniny, jest powszechnie leczona selektywnymi inhibitorami wychwytu zwrotnego serotoniny (SSRI). Zapobiegając wychwytowi zwrotnemu, SSRI wzmacniają działanie serotoniny, dając jej więcej czasu na interakcję z receptorami serotoninowymi na dendrytach. Popularne SSRIs na rynku obejmują Prozac, Paxil i Zoloft. Lek LSD jest strukturalnie bardzo podobny do serotoniny, a to wpływa na te same neurony i receptory jak serotonina. Leki psychotropowe nie są natychmiastowe rozwiązania dla osób cierpiących na zaburzenia psychologiczne. Często osoba musi brać lek przez kilka tygodni, zanim zobaczy poprawę, a wiele leków psychoaktywnych ma znaczące negatywne skutki uboczne. Co więcej, poszczególne osoby różnią się diametralnie w sposobie reagowania na leki. Aby zwiększyć szanse na sukces, nierzadko osoby poddawane farmakoterapii przechodzą również terapię psychologiczną i/lub behawioralną. Niektóre badania sugerują, że łączenie terapii farmakologicznej z innymi formami terapii jest bardziej skuteczne niż jakakolwiek terapia osobno (jeden z takich przykładów zob. March i in, 2007).