Dẫn truyền xung thần kinh (Nerve Impulse Transmission / Neural Transmission)

1. Điện thế Nghỉ

Khi tế bào thần kinh không hoạt động, nó duy trì một điện thế màng âm, được gọi là điện thế nghỉ. Điện thế này thường vào khoảng -70 mV. Sự chênh lệch điện thế này được duy trì bởi sự phân bố không đều của các ion, chủ yếu là $Na^+$ (natri) và $K^+$ (kali), bên trong và bên ngoài màng tế bào. Nồng độ $Na^+$ cao hơn ở bên ngoài tế bào, trong khi nồng độ $K^+$ cao hơn ở bên trong tế bào. Bơm $Na^+/K^+$ đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì điện thế nghỉ bằng cách bơm 3 ion $Na^+$ ra ngoài và 2 ion $K^+$ vào trong tế bào, chống lại gradient nồng độ của chúng. Điều này giúp duy trì sự chênh lệch điện tích cần thiết cho điện thế nghỉ. Ngoài bơm $Na^+/K^+$, các kênh rò rỉ $K^+$ cũng góp phần vào việc duy trì điện thế nghỉ.

2. Điện thế Hoạt động

Khi tế bào thần kinh bị kích thích bởi một tín hiệu đủ mạnh, điện thế màng tại điểm bị kích thích sẽ thay đổi. Nếu kích thích đạt đến ngưỡng (thường vào khoảng -55 mV), các kênh $Na^+$ có cổng điện thế mở ra, cho phép $Na^+$ tràn vào tế bào. Do $Na^+$ mang điện tích dương, dòng $Na^+$ vào trong làm cho điện thế màng trở nên dương hơn. Quá trình này được gọi là khử cực. Khi điện thế màng đạt đến đỉnh (khoảng +40 mV), các kênh $Na^+$ đóng lại và các kênh $K^+$ có cổng điện thế mở ra, cho phép $K^+$ di chuyển ra khỏi tế bào. Dòng $K^+$ ra ngoài làm cho điện thế màng trở nên âm hơn trở lại. Quá trình này được gọi là tái cực. Điện thế màng thậm chí có thể trở nên âm hơn điện thế nghỉ trong một thời gian ngắn, được gọi là siêu phân cực. Sau đó, bơm $Na^+/K^+$ sẽ hoạt động để đưa điện thế màng trở về điện thế nghỉ. Chuỗi sự kiện này tạo thành điện thế hoạt động.

3. Lan truyền Xung Thần kinh dọc theo Sợi Trục

Điện thế hoạt động được lan truyền dọc theo sợi trục như một làn sóng. Sự khử cực tại một điểm trên sợi trục sẽ gây ra sự khử cực tại các điểm lân cận, do đó điện thế hoạt động lan truyền từ điểm này sang điểm khác. Tốc độ lan truyền phụ thuộc vào đường kính của sợi trục và sự có mặt của bao myelin. Bao myelin là một lớp cách điện bao quanh sợi trục, giúp tăng tốc độ dẫn truyền xung thần kinh bằng cách cho phép điện thế hoạt động “nhảy” giữa các nút Ranvier. Dẫn truyền kiểu này được gọi là dẫn truyền nhảy cóc.

4. Truyền Tín hiệu qua Khớp Thần kinh (Synaptic Transmission)

Khi điện thế hoạt động đến cuối sợi trục (cúc tận cùng), nó kích hoạt sự giải phóng các chất dẫn truyền thần kinh vào khe khớp thần kinh, là khoảng trống giữa hai tế bào thần kinh (tế bào tiền khớp và tế bào hậu khớp). Các chất dẫn truyền thần kinh này khuếch tán qua khe khớp thần kinh và liên kết với các thụ thể đặc hiệu trên màng tế bào hậu khớp. Sự liên kết này có thể kích hoạt hoặc ức chế tế bào thần kinh tiếp theo, tùy thuộc vào loại chất dẫn truyền thần kinh và thụ thể.

Dẫn truyền xung thần kinh là một quá trình phức tạp nhưng hiệu quả, cho phép thông tin được truyền đi nhanh chóng và chính xác trong hệ thần kinh. Quá trình này dựa trên sự thay đổi điện thế màng và sự tương tác giữa các ion, các kênh ion và các chất dẫn truyền thần kinh. Sự hiểu biết về cơ chế dẫn truyền xung thần kinh là rất quan trọng để hiểu cách thức hoạt động của hệ thần kinh và để phát triển các phương pháp điều trị các bệnh lý thần kinh.

5. Các Yếu tố Ảnh hưởng đến Tốc độ Dẫn truyền

Tốc độ dẫn truyền xung thần kinh bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm:

• Đường kính sợi trục: Sợi trục có đường kính lớn hơn dẫn truyền xung thần kinh nhanh hơn so với sợi trục có đường kính nhỏ hơn. Điều này là do điện trở của sợi trục giảm khi đường kính tăng.
• Bao myelin: Sự hiện diện của bao myelin làm tăng đáng kể tốc độ dẫn truyền xung thần kinh. Bao myelin hoạt động như một chất cách điện, ngăn chặn dòng ion rò rỉ qua màng tế bào. Điện thế hoạt động “nhảy” từ nút Ranvier này sang nút Ranvier khác, một quá trình được gọi là dẫn truyền nhảy cóc (saltatory conduction).
• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao hơn làm tăng tốc độ dẫn truyền xung thần kinh, trong khi nhiệt độ thấp hơn làm giảm tốc độ này. Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao có thể gây tổn thương cho tế bào thần kinh.

6. Các Loại Chất Dẫn truyền Thần kinh

Có nhiều loại chất dẫn truyền thần kinh khác nhau, mỗi loại có chức năng riêng. Một số chất dẫn truyền thần kinh phổ biến bao gồm:

• Acetylcholine: Đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển cơ bắp, trí nhớ và học tập. Nó là chất dẫn truyền chính tại khớp thần kinh cơ.
• Dopamine: Liên quan đến cảm giác khoái cảm, động lực và điều khiển vận động. Sự thiếu hụt dopamine liên quan đến bệnh Parkinson.
• Serotonin: Ảnh hưởng đến tâm trạng, giấc ngủ, sự thèm ăn và nhiều chức năng khác. Nó được cho là có vai trò trong chứng trầm cảm.
• GABA (Gamma-aminobutyric acid): Là chất dẫn truyền thần kinh ức chế chính trong não. Nó giúp điều chỉnh hoạt động thần kinh và ngăn ngừa sự kích thích quá mức.
• Glutamate: Là chất dẫn truyền thần kinh kích thích chính trong não. Nó đóng vai trò quan trọng trong học tập và trí nhớ.

7. Bệnh lý Liên quan đến Dẫn truyền Xung Thần kinh

Một số bệnh lý có thể ảnh hưởng đến dẫn truyền xung thần kinh, bao gồm:

• Bệnh đa xơ cứng (Multiple Sclerosis – MS): Bao myelin bị phá hủy, làm chậm hoặc ngăn chặn dẫn truyền xung thần kinh. Điều này dẫn đến nhiều triệu chứng thần kinh khác nhau.
• Bệnh Parkinson: Sự suy giảm dopamine trong não, đặc biệt là ở vùng chất đen, dẫn đến các vấn đề về vận động như run, cứng khớp và chậm vận động.
• Bệnh Alzheimer: Sự mất mát các tế bào thần kinh và sự gián đoạn dẫn truyền xung thần kinh góp phần vào sự suy giảm nhận thức, mất trí nhớ và các vấn đề hành vi.
• Hội chứng Guillain-Barré: Hệ thống miễn dịch tấn công các dây thần kinh ngoại biên, gây ra yếu cơ và tê liệt. Tình trạng này thường xảy ra sau một nhiễm trùng.

• Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., Siegelbaum, S. A., & Hudspeth, A. J. (2013). Principles of Neural Science. McGraw-Hill.
• Purves, D., Augustine, G. J., Fitzpatrick, D., Hall, W. C., LaMantia, A. S., McNamara, J. O., & White, L. E. (2018). Neuroscience. Sinauer Associates.
• Bear, M. F., Connors, B. W., & Paradiso, M. A. (2016). Neuroscience: Exploring the Brain. Lippincott Williams & Wilkins.

Câu hỏi và Giải đáp

Vai trò của các kênh ion gated trong việc tạo ra và lan truyền điện thế hoạt động là gì?

Trả lời: Các kênh ion gated đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra và lan truyền điện thế hoạt động. Chúng là các protein màng tế bào có khả năng mở hoặc đóng để đáp ứng với các kích thích cụ thể, chẳng hạn như sự thay đổi điện thế màng hoặc liên kết với một chất dẫn truyền thần kinh. Ví dụ, các kênh $Na^+$ gated điện áp mở ra khi màng tế bào bị khử cực, cho phép $Na^+$ tràn vào tế bào và gây ra giai đoạn tăng vọt của điện thế hoạt động. Tương tự, các kênh $K^+$ gated điện áp mở ra trong giai đoạn tái cực, cho phép $K^+$ chảy ra khỏi tế bào và đưa điện thế màng trở lại trạng thái nghỉ.

Sự khác biệt chính giữa dẫn truyền xung thần kinh ở sợi trục có bao myelin và sợi trục không có bao myelin là gì?

Trả lời: Sự khác biệt chính nằm ở tốc độ và hiệu quả của dẫn truyền. Ở sợi trục có bao myelin, điện thế hoạt động “nhảy” từ nút Ranvier này sang nút Ranvier khác, một quá trình gọi là dẫn truyền nhảy cóc. Điều này cho phép dẫn truyền nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với dẫn truyền liên tục ở sợi trục không có bao myelin.

Làm thế nào các chất dẫn truyền thần kinh ức chế ảnh hưởng đến điện thế màng sau khớp thần kinh?

Trả lời: Các chất dẫn truyền thần kinh ức chế, chẳng hạn như GABA, liên kết với các thụ thể trên màng sau khớp thần kinh làm tăng tính thấm của màng đối với $Cl^-$ hoặc $K^+$. Điều này dẫn đến siêu phân cực, làm cho điện thế màng trở nên âm hơn và khó đạt đến ngưỡng để kích hoạt điện thế hoạt động. Do đó, chúng làm giảm khả năng tế bào thần kinh sau khớp thần kinh kích hoạt.

Điều gì xảy ra với chất dẫn truyền thần kinh sau khi chúng được giải phóng vào khe khớp thần kinh?

Trả lời: Sau khi được giải phóng, chất dẫn truyền thần kinh có thể liên kết với các thụ thể trên màng sau khớp thần kinh, bị phân hủy bởi các enzyme trong khe khớp thần kinh, hoặc bị tái hấp thu bởi tế bào thần kinh tiền khớp thần kinh thông qua một quá trình gọi là tái hấp thu. Cơ chế này giúp đảm bảo tín hiệu thần kinh được kiểm soát và không kéo dài quá lâu.

Một số ví dụ về các bệnh lý ảnh hưởng đến dẫn truyền xung thần kinh là gì và chúng ảnh hưởng đến quá trình này như thế nào?

Trả lời: Bệnh đa xơ cứng (MS) liên quan đến sự phá hủy bao myelin, làm chậm hoặc chặn dẫn truyền xung thần kinh. Bệnh Parkinson đặc trưng bởi sự suy giảm dopamine, ảnh hưởng đến điều khiển vận động. Hội chứng Guillain-Barré liên quan đến việc hệ thống miễn dịch tấn công các dây thần kinh ngoại biên, gây rối loạn dẫn truyền xung thần kinh đến cơ. Bệnh Alzheimer liên quan đến sự mất mát tế bào thần kinh và gián đoạn dẫn truyền xung thần kinh, góp phần gây ra suy giảm nhận thức. Các bệnh lý này minh họa tầm quan trọng của việc dẫn truyền xung thần kinh diễn ra bình thường đối với sức khỏe tổng thể.