Chức năng của khớp thần kinh là để chuyển hoạt động điện (thông tin) từ tế bào này sang tế bào khác. Việc chuyển có thể từ dây thần kinh đến dây thần kinh (hệ thần kinh - hệ thần kinh), hay thần kinh tới cơ ( hệ thần kinh - cơ). Vùng nằm giữa màng trước và sau synap rất hẹp, chỉ từ 30-50 nm. Nó được gọi là khe hở tiếp hợp (lỗ hổng synap ). Sự thông tin về điện trực tiếp giữa các tế bào trước và sau sau khớp thần kinh không xảy ra; thay vào đó, một chất hóa học trung gian được sử dụng. Một chuỗi các sự kiện như sau:
Hình 5.1 chỉ ra khớp thần kinh giữa một tế bào thần kinh và một tế bào cơ , một khớp nối thần kinh - cơ.
Trong cơ tim, khoang gian bào giữa tiếp giáp những tế bào được mở rộng ra bởi khe tiếp hợp, khe này cung cấp một đường đi trở kháng thấp cho cho những dòng điện trong mạch cục bộ và có thể được coi như là dòng điện khớp thần kinh. (Tuy nhiên cái khe hở không được gọi là khe hở tiếp hợp ). Loại khớp nối này được nói đến trong chương sau.
Những đầu kết thúc sợi thần kinh trước synap thường được rộng ra tạo thành cúc tận cùng hoặc bướu tiếp hợp. Bên trong những cái bướu này là các túi chứa đầy chất truyền đạt. Sự tới nơi của xung hoạt động mở kênh Ca2+ đóng mở theo điện thế, mà cho phép những ion can xi chảy vào tế bào. Những hợp chất này lần lượt giải phóng vào khe tiếp hợp, như là đào thải khỏi tế bào của một số túi nhỏ đã đóng gói từ trước có chứa chất truyền đạt thần kinh.
Trung bình, mỗi nơron chia thành khoảng 1000 các nút tiếp hợp. Nói một cách khác, một nơron vận động xương sống đơn có thể có trung bình 10,000 đầu vào tiếp hợp . Dựa vào những số liệu này, chúng ta không ngạc nhiên khi thấy tỉ lệ khớp thần kinh tới các nơron trong não trước của con người được ước lượng khoảng 4x10^4.Trong khớp thần kinh giữa nơron-nơron, mặt sau của khớp thần kinh có thể là đuôi gai hoặc thân tế bào, nhưng thường là đuôi gai hơn.
Tiếp hợp thần kinh - cơ (synaptic). Nhiều đặc trưng ở khớp nối này cũng thấy ở khớp thần kinh nơron-nơron. Cúc tận cùng của tế bào màng trước khớp thần kinh có chứa nhiều túi, bọc chất truyền đạt thần kinh acetylcholine (ACh). Khe giữa màng trước và màng sau khớp thần kinh vào cỡ 15-30nm. Chất truyền đạt được giải phóng b& #7903;i sự lan truyền đến của một xung hoạt động trong tế bào thần kinh; nó khuếch tán và gắn kết vào receptor trên màng tế bào cơ sau khớp thần kinh, gây ra một EPSp và bắt đầu điện thế hoạt động tế bào cơ.
Trong một khớp thần kinh cơ, như ở trên sự đến nơi của một xung hoạt động tại phần kết thúc của nơron vận động, acetylcholine (ACh) được giải phóng tới khe tiếp hợp. Nó khuếch tán qua khoảng trống tới màng tế bào cơ nơi mà nó gắn kết với các receptor đặc hiệu, kết quả là sự tăng lên đồng thời tính thấm của màng tế bào với cả hai loại ion natri và kali. Bởi vì tác động của ion natri tương đối vượt trội so với tác động của ion kali (miêu tả định lượng chi tiết sau trong chương này) nên gây ra khử cực màng tế bào và một điện thế hoạt động ở màng sau khớp thần kinh. Quá trình luôn là kích thích. Hơn nữa, một điện thế hoạt động đơn ở mặt trước khớp thần kinh luôn luôn dẫn tới giải phóng đủ chất tuyền đạt để sinh ra một khử cực xuyên ngưỡng và khởi đầu một điện thế hoạt động trong tế bào cơ.
Sự kìm hãm tiếp hợp xảy ra ở khớp nối dây thần kinh - dây thần kinh (hệ thần kinh-hệ thần kinh) khi mà màng trước khớp thần kinh hoạt động giải phóng chất truyền đạt làm ưu phân cực màng sau khớp thần kinh (nghĩa là, làm điện thế màng sau âm hơn). Về lý thuyết, ưu phân cực có thể là kết quả từ sự tăng tính thấm hoặc là của kali hoặc là của clo bởi vì điện thế cân bằng của mỗi ion này âm hơn nhiều điện thế nghỉ lúc bình thường (mà bị ảnh hưởng theo phương hướng dương tính bởi sự có mặt của natri). Tuy nhiên, trong thực tế sự kìm hãm là bởi vì tính thấm clo được nâng lên.
Đối lập với tiếp hợp thần kinh – cơ (neuro-myo), một kích thích đơn đầu vào tới một tiếp hợp thần kinh - thần kinh là hoàn toàn không đủ để khử cực màng sau khớp thần kinh tới ngưỡng. Trong thực tế, với có lẽ hàng ngàn kích thích và kìm hãm đầu vào trên tế bào sau khớp thần kinh, tổng cộng không gian và thời gian là diễn ra liên tục, và điện thế màng sẽ dao động. Cuối cùng, khi mà một ngưỡng có lẽ cỡ 10-15 mV đạt được, gây ra một điện thế hoạt động. Theo cách này, một quá trình hợp nhất quan trọng xảy ra tại những đầu vào tới mỗi tế bào thần kinh. Người đọc với thí nghiệm máy tính khoa học có thể đánh giá những khả năng khủng khiếp về quá trình xử lý thông tin có thể xảy ra, đặc biệt khi cho rằng có lẽ có 10^12 những nơron và 10^15 khớp thần kinh trong não người. Đây thực sự là một mạng nơron.
Kìm hãm màng trước khớp thần kinh là một cơ chế kìm hãm khác. Trong trường hợp này một mút thần kinh ức chế (từ một sợi trục khác biết đến như là kìm hãm màng trước) được tiếp hợp với một đầu mút màng trước kích thích. Tế bào thần kinh ức chế giải phóng một chất truyền đạt làm khử cực từng phần tế bào màng trước khớp thần kinh. Như một hệ quả, hoạt động phát sinh ở sợi trước khớp thần kinh được giảm đi, vì thế , sự giải phóng chất truyền đạt bị giảm đi. Kết quả là giảm độ kích thích được sinh ra ở tế bào sau khớp thần kinh.
Giai đoạn giảm của EPSP được đặc trưng bởi chỉ một hằng số thời gian – đó là, thời gian cần thiết cho đáp ứng đối với chỉ một sự kích thích có tác dụng kích thích để giảm bớt xuống còn 1/e cực đại của nó. Đây là một giá trị quan trọng. Nếu một chuỗi các kích thích vào xảy ra trong một thời gian đến rất ngắn, thì khi đó tổng thời gian các EPSP xảy ra, một điện thế đang tăng lên. Tương tự, nếu hoạt động diễn ra ở nhiều hơn một bướu tiếp hợp một cách đồng thời (hoặc bên trong chiều dài của hằng số thời gian đã nêu trên ), thì khi đó tổng cộng không gian tạo ra. Tác động cộng g&# 7897;p trên một khớp thần kinh là không tuyến tính. Hơn nữa, những khớp thần kinh riêng lẻ tương tác theo một cách vô cùng phức tạp (Stevens, 1968). Dù những sự phức tạp này, người ta đã chỉ ra được bằng thực nghiệm rằng tổng cộng cả không gian lẫn thời gian nói chung hoạt động theo một phương thức tuyến tính thuần tuý (Granit, Haase, and Rutledge, 1960; Granit và Renkin, 1961).
Cơ cấu truyền khớp thần kinh đã được so sánh với mạch truyền các thông tin điện theo cách sau: trên sơi trục thần kinh thông tin được truyền bằng các xung thần kinh dạng “số” hoặc, chính xác hơn là dạng “mã xung được điều chế”. Trong khớp thần kinh, thông tin được truyền với chất truyền đạt trong dạng tương tự, để được chuyển đổi lần nữa trong nơron kế tiếp dưới dạng " số ". Mặc dù sự giống nhau là không chính xác trong tất cả các khía cạnh, nó minh họa đặc tính của chuỗi thông tin thần kinh.
Người điều khiển của một ô tô tiếp nhận những tín hiệu nhìn thấy thông qua tế bào nhận kích thích ánh sáng. Các tế bào nhận kích thích ánh sáng bắt đầu mã hóa các xung hướng tâm rồi tiến lên trong sợi thần kinh và kết thúc ở vùng thị giác của vỏ não. Một khi mà não đã xử lý thông tin, nó gửi những tín hiệu ly tâm tới những cơ ở chân và tay. Vì thế, chiếc xe được chạy chậm xuống và và có thể rẽ phải, nhưng nếu tay của chúng ta đặt nhầm lên một bề mặt nóng, kết quả một tập hợp những tín hiệu tới cơ bàn tay và cánh tay lại không khởi đầu từ trung tâm cao hơn; nhận thức chỉ đến sau hoạt động thực tiễn. Chúng ta nói rằng một đường phản xạ được bao gồm trong cả hai ví dụ này. Trường hợp đầu tiên thì phức tạp và liên quan tới trung tâm cao hơn trong hệ thần kinh trung ương , trong khi đó trường hợp thứ hai diễn đạt một phản xạ đơn giản hơn ở cấp độ thấp hơn. Thực ra nhiều hoạt động phản xạ đang diễn ra liên tục mà chúng ta không biết ví dụ những tín hiệu vào được bắt nguồn từ những cảm quan bên trong, như là áp suất máu, hay lượng oxy bão hòa trong máu ,... dẫn tới một sự điều chỉnh nhịp tim, nhịp thở, vân vân.
Cung phản xạ, như đã minh họa ở trên, được xem xét là đơn vị của hoạt động thần kinh tổng hợp. Về bản chất nó bao gồm một bộ phận tiếp nhận cảm giác, một dây thần kinh hướng tâm, một hoặc nhiều khớp thần kinh, một dây thần kinh ly tâm, và một cơ hoặc cơ quan phản ứng khác. Nói chung kết nối giữa đường hướng tâm và ly tâm được tìm thấy trong tủy sống hay não. Phản xạ đơn giản nhất bao gồm chỉ một khớp thần kinh đơn giữa những nơron ly tâm và hướng tâm ( một phản xạ tiếp hợp đơn); một ví dụ quen thuộc là phản xạ bánh chè (đầu gối).
Sự hằng định nội môi nói đến các quá trình điều chỉnh khác nhau trong thân thể mà duy trì một trạng thái bình thường khi đối mặt với những sự rối loạn. Hệ thần kinh tự chủ được tổ chức để hoàn thành điều này một cách tự động liên quan đến rất nhiều cơ quan trong cơ thể; hoạt động của nó, như của hệ thần kinh cơ vân, được dựa vào cung phản xạ. Trong trường hợp này, tín hiệu, xuất hiện tại những cơ quan cảm nhận cơ trơn, được dẫn truyền qua dây thần kinh hướng tâm tới hệ thần kinh trung ương nơi sự hợp nhất xảy ra, dẫn đến những tín hiệu ly tâm tới những cơ quan tác động cơ trơn (thường là cơ trơn) để phục hồi lại hoặc duy trì điều kiện thường. Sự hợp nhất của những tín hiệu ảnh hưởng đến huyết áp và hơi thở xảy ra hành tủy não tủy; những tác động điều khiển đồng tử đáp ứng lại ánh sáng được tổng hợp trong não giữa, trong khi đó đáp
Tại chỗ nối thần kinh-cơ, Fatt và Katz (1951) chỉ ra rằng axetyl cholin tăng tính thấm của màng tế bào đối với những ion nhỏ một cách đáng kể, t rong khi Takeuchi (1960) đã chứng minh độ dẫn clo không bị ảnh hưởng (trên thực tế, gCl≈0) . Điều gì xảy ra nếu tính thấm của màng với ion kali và natri trở nên bằng nhau? Như một điều kiện thay đổi điện thế màng từ gần điện thế Nernst của kali đến một giá trị xấp xỉ trung bình của điện thế natri và kali ở trạng thái cân bằng.(Điện thế này, lần lượt, gần tới điện áp xuyên màng zero và hoàn toàn thích hợp để bắt đầu một sự kích hoạt). Nếu vùng sau khớp thần kinh được thực hiện kẹp điện áp giá trị làm giảm bớt dòng màng tới 0 trong suốt quá trình giải phóng chất truyền đạt được gọi là điện áp đảo ngược Vr. Có thể chỉ ra là giá trị này cân bằng với điện thế Nerst trung bình của kali và natri, như đề cập ở trên. Trong khớp nối thần kinh -cơ trong cơ vân, điện áp đảo ngược này khoảng -15 mV.
Phản ứng điện tại một khớp thần kinh có thể được đánh giá bằng việc khảo sát một mạch tương đương của màng sau xi naps, như được chỉ ra trên hình 5.2. Hai vùng được xác định: Một vùng đại diện cho màng gắn những receptor nhạy đối với chất truyền đạt, và vùng còn lại màng của tế bào dễ bị kích động thông thường. Trong hình 5.2 hai vùng này được đại diện cho bởi những phần tử rời rạc, nhưng trong thực tế chúng được phân tán dọc theo cấu trúc mà cấu thành tế bào thực tế. Hình này miêu tả một khớp nối thần kinh -cơ, nơi sự giải phóng của axetyl cholin dẫn đến sự tăng độ dẫn của natri và kali trong vùng mục tiêu, lần lượt được miêu tả bởi sự đóng của công tắc ACh. Sự đóng lại của chuyển mạch này,
ΔINa = ΔGNa(Vm - VNa) (5.1)
ΔIK = ΔGK(Vm - VK) (5.2)
Trong đó:
INa, IK = Dòng ion của natri và kali [µA/cm²]
ΔGNa, ΔGK = Độ dẫn natri và kali bổ sung sau quá trình kích hoạt bởi ACh (nghĩa là, gần bằng với những độ dẫn điện lớn) [mS/cm²]
VNa , VK = Điện thế Nernst tương ứng với nồng độ của natri và kali [mV]
Vm = Điện áp màng [mV]
(B) Mô hình tương ứng với một khớp thần kinh kìm hãm.
Nếu bây giờ chúng ta đưa vào và duy trì điện áp ngược ngang qua màng sau synap thông qua một đầu nối kẹp điện áp, phương trình 5.1 và 5.2 được thay bởi:
ΔINa = ΔGNa(VR - VNa) (5.3)
ΔIK = ΔGK(VR - VK) (5.4)
vì điện áp xuyên màng VM lấy giá trị VR, điện áp ngược.
Cho những điều kiện được mô tả bởi những phương trình 5.3 và 5.4, vì dòng tổng tại điện áp đảo ngược là zero, nó kéo theo dòng ion kali và natri bằng nhau và ngược dấu (nghĩa là ΔINa = -ΔIK). Do đó, áp dụng các điều kiện này vào phương trình 5.3 và 5.4 dẫn tới:
ΔGNa(VR - VNa) = - ΔGK(VR - VK) (5.5)
Chuyển vế phương trình 5.5 cho :
(ΔGNa + ΔGK) VR = ΔGNa VNa - ΔGKVK (5.6)
Và kết quả điện áp ngược là
(5.7)
từ phương trình 5.7 dễ thấy rằng nếu sự mở đầu của ACh gây ra một sự tăng lên bằng nhau trong độ dẫn của natri và kali thì đó là,
Nếu
(5.8)
Thì
(5.9)
như đã nói ở trước. Đối với khớp nối thần kinh-cơ của ếch, điện áp ngược đến tới khoảng -25 mV. Trong thực tế, điện áp ngược là một giá trị nhỏ gần với zero, điều đó có nghĩa rằng ACh tăng độ dẫn natri nhiều hơn so với độ dẫn kali. Cũng thấy rõ ràng là sự tăng độ dẫn natri và kali này phải xuất hiện đồng thời. Những sự khác nhau trong các cơ chế của sự kích hoạt màng và những điện áp tiếp hợp được mô tả trong Bảng 5.1.
Table 5.1. Sự So sánh các cơ chế của sự kích hoạt màng với sự thay đổi điện áp tiếp hợp đối với khớp nối thần kinh-cơ sau tiếp hợp .
Trở lại hình 5.2, và áp dụng định lý Thevenin, chúng ta có thể đơn giản hoá mạch tiếp nhận được cấu tạo bởi một nguồn pin đơn mà sức điện động của nó là giá trị trung bình của VNa and VK (do đó VR), và với một độ dẫn gR = gNa + gK. Tác động của nó trên màng bình thường của tế bào sau synap có thể được tính toán bởi vì dòng tổng tại bất kỳ nút nào tất yếu bằng zero - nghĩa là, không có những dòng được đặt vào. Do đó,
GR (Vm - VR) + GK(Vm - VK) + GNa(Vm - VNa) = 0 (5.10)
Đường dẫn clo trong hình 5.2 không bao hàm trong phương trình 5.10 vì gCl≈0, như chú ý ở trên. Lời giải đối với điện thế sau synap Vm
(5.11)
Biểu thức này chỉ là xấp xỉ vì sự phân bố màng được biểu diễn bởi màng rời rạc. Ngoài ra, nếu màng bị đẩy tới hoặc vượt quá ngưỡng thì sự biểu diễn mạch điện tuyến tính ở hình 5.2 không còn đúng. Tuy nhiên, phương trình 5.11 là một phép đo hữu ích đánh giá liệu có phải điện thế sau synap có khả năng dẫn đến sự kích thích của tế bào sau synap.
