Cơ chế:
Khác với dẫn truyền liên tục ở các sợi trục không có myelin, nơi mà sóng khử cực lan truyền dọc theo toàn bộ chiều dài sợi trục, dẫn truyền kiểu nhảy chỉ xảy ra ở các eo Ranvier. Tại các eo Ranvier này, màng sợi trục tiếp xúc với dịch ngoại bào và chứa mật độ cao các kênh ion $Na^+$ và $K^+$. Khi một điện thế hoạt động đến eo Ranvier, các kênh $Na^+$ mở ra, cho phép ion $Na^+$ tràn vào trong sợi trục, gây ra sự khử cực tại eo Ranvier đó. Sự khử cực này sau đó lan truyền thụ động và nhanh chóng bên dưới lớp bao myelin đến eo Ranvier tiếp theo. Tại eo Ranvier tiếp theo, sự thay đổi điện thế này đủ lớn để kích hoạt một điện thế hoạt động mới. Quá trình này lặp lại, khiến xung thần kinh được “truyền” dọc theo sợi trục từ eo Ranvier này sang eo Ranvier khác, như thể nó đang “nhảy” dọc theo sợi trục. Chính nhờ cơ chế này mà dẫn truyền kiểu nhảy giúp tăng tốc độ dẫn truyền xung thần kinh một cách đáng kể so với dẫn truyền liên tục.
Ưu điểm của dẫn truyền kiểu nhảy
- Tốc độ dẫn truyền nhanh hơn: Do xung thần kinh chỉ cần khử cực tại các eo Ranvier, dẫn truyền kiểu nhảy nhanh hơn đáng kể so với dẫn truyền liên tục. Tốc độ dẫn truyền ở các sợi trục có myelin có thể lên đến 150 m/s, so với chỉ 2 m/s ở các sợi trục không có myelin có đường kính tương tự.
- Tiết kiệm năng lượng: Vì sự khử cực chỉ xảy ra ở các eo Ranvier, nên ít ion $Na^+$ và $K^+$ cần được bơm qua màng để duy trì điện thế nghỉ. Điều này giúp tiết kiệm năng lượng cho tế bào thần kinh.
Ảnh hưởng của bao myelin
Bao myelin đóng vai trò quan trọng trong dẫn truyền kiểu nhảy. Nó hoạt động như một chất cách điện, ngăn chặn sự rò rỉ dòng điện ra khỏi sợi trục giữa các eo Ranvier. Bao myelin làm tăng điện trở màng và giảm điện dung màng, cho phép dòng điện lan truyền thụ động một cách nhanh chóng và hiệu quả hơn đến eo Ranvier tiếp theo. Điều này cho phép xung thần kinh lan truyền hiệu quả hơn và với tốc độ nhanh hơn. Sự mất myelin, như trong bệnh đa xơ cứng, có thể làm gián đoạn dẫn truyền kiểu nhảy, dẫn đến các vấn đề về thần kinh như yếu cơ, tê bì và mất phối hợp vận động.
Tóm lại
Dẫn truyền kiểu nhảy là một cơ chế hiệu quả và nhanh chóng để dẫn truyền xung thần kinh dọc theo các sợi trục có bao myelin. Nó cho phép dẫn truyền xung thần kinh với tốc độ cao và tiết kiệm năng lượng, đóng vai trò quan trọng trong chức năng của hệ thần kinh.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ dẫn truyền kiểu nhảy
Tốc độ dẫn truyền kiểu nhảy bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm:
- Đường kính sợi trục: Sợi trục có đường kính lớn hơn có điện trở nội bào thấp hơn, cho phép xung thần kinh lan truyền nhanh hơn. Diện tích mặt cắt ngang lớn hơn làm giảm điện trở đối với dòng điện chạy dọc theo sợi trục.
- Độ dày của bao myelin: Bao myelin dày hơn cách điện tốt hơn, làm giảm sự rò rỉ dòng điện và tăng tốc độ dẫn truyền. Lớp myelin dày hơn làm tăng điện trở màng và giảm điện dung màng.
- Khoảng cách giữa các eo Ranvier: Khoảng cách tối ưu giữa các eo Ranvier cho phép xung thần kinh “nhảy” một khoảng cách đủ lớn để duy trì tốc độ dẫn truyền cao, nhưng không quá lớn để tín hiệu bị suy yếu. Khoảng cách này được tối ưu hóa để đảm bảo tín hiệu đủ mạnh để khử cực eo Ranvier tiếp theo.
So sánh dẫn truyền kiểu nhảy và dẫn truyền liên tục
| Đặc điểm | Dẫn truyền kiểu nhảy | Dẫn truyền liên tục |
|---|---|---|
| Tốc độ | Nhanh (lên đến 150 m/s) | Chậm (0.5 – 10 m/s) |
| Hiệu quả năng lượng | Cao | Thấp |
| Sự có mặt của bao myelin | Có | Không |
| Vị trí khử cực | Eo Ranvier | Dọc theo toàn bộ màng sợi trục |
Ứng dụng lâm sàng
Sự hiểu biết về dẫn truyền kiểu nhảy có ý nghĩa quan trọng trong việc chẩn đoán và điều trị các bệnh lý thần kinh liên quan đến tổn thương bao myelin, chẳng hạn như bệnh đa xơ cứng. Các kỹ thuật như ghi điện thế gợi (evoked potentials) được sử dụng để đánh giá tốc độ dẫn truyền thần kinh và phát hiện các bất thường trong dẫn truyền kiểu nhảy. Việc nghiên cứu các cơ chế phân tử của dẫn truyền kiểu nhảy cũng có thể dẫn đến sự phát triển của các liệu pháp mới cho các bệnh lý thần kinh này.
Mô hình toán học
Mặc dù phức tạp, một số mô hình toán học đã được phát triển để mô tả dẫn truyền kiểu nhảy, sử dụng các phương trình cáp (cable equations) để mô phỏng dòng điện chạy dọc theo sợi trục và qua màng tế bào. Các mô hình này có thể giúp dự đoán tốc độ dẫn truyền và hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến nó. Một ví dụ đơn giản hóa của phương trình cáp là:
$ \frac{1}{r_i} \frac{\partial^2 V}{\partial x^2} = c_m \frac{\partial V}{\partial t} + \frac{V}{r_m} $
Trong đó:
- $V$ là điện thế màng
- $x$ là vị trí dọc theo sợi trục
- $t$ là thời gian
- $r_i$ là điện trở nội bào trên một đơn vị chiều dài
- $c_m$ là điện dung màng trên một đơn vị chiều dài
- $r_m$ là điện trở màng trên một đơn vị chiều dài
Dẫn truyền kiểu nhảy là một cơ chế quan trọng cho phép dẫn truyền xung thần kinh nhanh chóng và hiệu quả dọc theo các sợi trục có bao myelin. Bao myelin hoạt động như một chất cách điện, ngăn chặn sự rò rỉ dòng điện và cho phép xung thần kinh “nhảy” từ eo Ranvier này sang eo Ranvier khác. Điều này làm tăng đáng kể tốc độ dẫn truyền so với dẫn truyền liên tục ở các sợi trục không có myelin. Hãy nhớ rằng, tốc độ dẫn truyền trong dẫn truyền kiểu nhảy có thể lên đến 150 m/s, so với chỉ 2 m/s ở các sợi trục không có myelin có đường kính tương tự.
Các eo Ranvier là những điểm hở trên bao myelin, nơi mà màng sợi trục tiếp xúc với dịch ngoại bào và chứa mật độ cao các kênh ion $Na^+$ và $K^+$. Chính tại các eo Ranvier này mà sự khử cực xảy ra, cho phép xung thần kinh được tái tạo và tiếp tục lan truyền. Sự tập trung khử cực tại các eo Ranvier này cũng giúp tiết kiệm năng lượng cho tế bào thần kinh, vì ít ion cần được bơm qua màng để duy trì điện thế nghỉ.
Tốc độ dẫn truyền kiểu nhảy bị ảnh hưởng bởi đường kính sợi trục, độ dày của bao myelin và khoảng cách giữa các eo Ranvier. Sự tổn thương bao myelin, như trong bệnh đa xơ cứng, có thể làm gián đoạn dẫn truyền kiểu nhảy và gây ra các vấn đề về thần kinh. Việc hiểu rõ về cơ chế của dẫn truyền kiểu nhảy là rất quan trọng để hiểu chức năng của hệ thần kinh và phát triển các phương pháp điều trị cho các bệnh lý thần kinh.
Tài liệu tham khảo:
- Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM, Siegelbaum SA, Hudspeth AJ. Principles of Neural Science. 5th ed. New York: McGraw-Hill; 2013.
- Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, et al., editors. Neuroscience. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates; 2001.
- Hall JE. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. 13th ed. Philadelphia, PA: Elsevier; 2016.
Câu hỏi và Giải đáp
Ngoài tốc độ và hiệu quả năng lượng, còn lợi ích nào khác của dẫn truyền kiểu nhảy so với dẫn truyền liên tục?
Trả lời: Dẫn truyền kiểu nhảy còn cho phép tái tạo tín hiệu dọc theo sợi trục. Tại mỗi eo Ranvier, xung thần kinh được khuếch đại, đảm bảo tín hiệu không bị suy giảm khi di chuyển trên một khoảng cách dài. Điều này khác với dẫn truyền liên tục, nơi tín hiệu có thể bị suy yếu theo khoảng cách.
Làm thế nào mà bao myelin ảnh hưởng đến điện dung và điện trở của màng sợi trục?
Trả lời: Bao myelin giảm điện dung màng và tăng điện trở màng. Điện dung giảm cho phép thay đổi điện thế màng nhanh hơn, trong khi điện trở tăng ngăn cản sự rò rỉ dòng điện, giúp tín hiệu lan truyền xa hơn mà không bị suy giảm.
Điều gì xảy ra với dẫn truyền thần kinh khi bao myelin bị tổn thương, ví dụ như trong bệnh đa xơ cứng?
Trả lời: Khi bao myelin bị tổn thương, dẫn truyền kiểu nhảy bị gián đoạn. Xung thần kinh có thể bị chậm lại, bị chặn hoặc thậm chí bị mất hoàn toàn. Điều này có thể dẫn đến nhiều triệu chứng thần kinh khác nhau, chẳng hạn như yếu cơ, tê bì, mất phối hợp vận động và các vấn đề về thị lực.
Phương trình cáp được sử dụng như thế nào để mô hình hóa dẫn truyền kiểu nhảy?
Trả lời: Phương trình cáp, $ \frac{1}{r_i} \frac{\partial^2 V}{\partial x^2} = c_m \frac{\partial V}{\partial t} + \frac{V}{r_m} $, mô tả sự thay đổi điện thế màng ($V$) theo thời gian ($t$) và vị trí ($x$) dọc theo sợi trục. Trong mô hình dẫn truyền kiểu nhảy, các tham số của phương trình cáp ($r_i$, $c_m$, $r_m$) được điều chỉnh để phản ánh sự có mặt của bao myelin và các eo Ranvier. Ví dụ, điện trở màng ($r_m$) được đặt cao hơn ở vùng có myelin và thấp hơn ở eo Ranvier.
Ngoài bệnh đa xơ cứng, còn bệnh lý nào khác ảnh hưởng đến dẫn truyền kiểu nhảy?
Trả lời: Một số bệnh lý khác có thể ảnh hưởng đến dẫn truyền kiểu nhảy bao gồm hội chứng Guillain-Barré, một rối loạn tự miễn dịch tấn công các dây thần kinh ngoại biên; bệnh bạch cầu Charcot-Marie-Tooth, một nhóm rối loạn di truyền ảnh hưởng đến các dây thần kinh ngoại biên; và bệnh não do thiếu máu cục bộ, có thể gây tổn thương myelin do thiếu oxy lên não.
- Tốc độ kỷ lục: Tín hiệu thần kinh trong các sợi trục có myelin lớn nhất và có bao myelin dày nhất có thể di chuyển với tốc độ đáng kinh ngạc, lên tới 150 mét mỗi giây. Điều này tương đương với hơn 500 km/h, nhanh hơn cả một chiếc xe đua Công thức 1! Tốc độ này cho phép chúng ta phản ứng gần như tức thời với các kích thích.
- Không phải tất cả các sợi trục đều được myelin hóa: Trong khi dẫn truyền kiểu nhảy cung cấp tốc độ và hiệu quả, không phải tất cả các sợi trục thần kinh đều được bao phủ bởi myelin. Các sợi trục không có myelin, mặc dù dẫn truyền chậm hơn, vẫn đóng vai trò quan trọng trong một số chức năng, đặc biệt là những chức năng không yêu cầu phản ứng nhanh, ví dụ như điều hòa một số chức năng nội tạng.
- Kích thước của eo Ranvier: Các eo Ranvier cực kỳ nhỏ, chỉ rộng khoảng 1 micromet. Tuy nhiên, chính tại những khoảng trống nhỏ bé này mà các sự kiện quan trọng của dẫn truyền xung thần kinh diễn ra.
- Myelin được tạo ra bởi các tế bào hỗ trợ: Bao myelin không phải là một phần của tế bào thần kinh, mà được tạo ra bởi các tế bào hỗ trợ gọi là tế bào Schwann trong hệ thần kinh ngoại vi và tế bào oligodendrocyte trong hệ thần kinh trung ương. Mỗi tế bào Schwann tạo ra một đoạn myelin cho một sợi trục, trong khi mỗi tế bào oligodendrocyte có thể myelin hóa nhiều sợi trục.
- “Saltatory” xuất phát từ tiếng Latin: Từ “saltatory” trong “saltatory conduction” bắt nguồn từ tiếng Latin “saltare”, có nghĩa là “nhảy”. Điều này phản ánh một cách hình ảnh quá trình xung thần kinh “nhảy” dọc theo sợi trục.
- Dẫn truyền kiểu nhảy không hoàn hảo: Mặc dù hiệu quả, dẫn truyền kiểu nhảy không phải là không có khả năng bị gián đoạn. Các độc tố, bệnh tật và chấn thương có thể làm hỏng bao myelin, làm chậm hoặc chặn hoàn toàn dẫn truyền xung thần kinh. Điều này có thể dẫn đến các triệu chứng khác nhau, tùy thuộc vào các sợi trục bị ảnh hưởng.
- Nghiên cứu đang diễn ra: Các nhà khoa học vẫn đang tích cực nghiên cứu dẫn truyền kiểu nhảy để hiểu rõ hơn về vai trò của nó trong sức khỏe và bệnh tật. Nghiên cứu này có thể dẫn đến các phương pháp điều trị mới cho các bệnh lý thần kinh như bệnh đa xơ cứng.