علوم اعصاب شناختی؛ ساختار و عملکرد سیستم عصبی

You shake my nerves and you rattle my brain. Jerry Lee Lewis

اعصابم را تکان می دهی و مغزم را تکان می دهی. جری لی لوئیس

BIG Questions
• What are the elementary building blocks of the brain?
• How is information coded and transmitted in the brain?
• What are the organizing principles of the brain?
• What does the brain’s structure tell us about its function and the behaviors it supports?

سوالات مهم

• اجزای سازنده اولیه مغز چیست؟
• اطلاعات چگونه در مغز رمزگذاری و منتقل می‌شود؟
• اصول سازماندهی مغز چیست؟
• ساختار مغز در مورد عملکرد و رفتارهایی که پشتیبانی می‌کند به ما چه می‌گوید؟

ONE DAY IN 1963, neuroscientist Jose Delgado coolly stood in a bullring in Córdoba, Spain, facing a charging bull. He did not sport the Spanish matador’s typical gear of toreador pants, jacket, and sword, however. Instead, he stepped into the ring in slacks and a pullover sweater-and, for effect, a matador’s cape while holding a small electronic device in his hand. He was about to see if it worked.

یک روز در سال ۱۹۶۳، خوزه دلگادو، عصب‌شناس، با خونسردی در یک میدان گاوبازی در کوردوبا، اسپانیا، با یک گاو نر در حال شارژ ایستاده بود. با این حال، او لباس معمولی ماتادور اسپانیایی را که شامل شلوار، ژاکت و شمشیر بود، استفاده نکرد. درعوض، او با شلوار و ژاکت پیراهن کش و به عنوان اثر، شنل ماتادور در حالی که یک وسیله الکترونیکی کوچک در دست داشت، پا به رینگ گذاشت. می‌خواست ببیند کار می‌کند یا نه.

The bull turned and charged, but Delgado stood his ground, his finger on the device’s button. Then he pushed it. The bull skidded to a stop, standing a few feet before the scientist (Figure 2.1). The now placid bull stood there looking at Delgado, who gazed back, smiling. This otherwise ordinary bull had one odd feature that gave Delgado confidence: a surgically implanted electric stimulator in its caudate nucleus. The device in Delgado’s hand was a radio transmitter that he had built to activate the stimulator. By stimulating the bull’s caudate nucleus, Delgado had turned off its aggression.

گاو چرخید و شارژ کرد، اما دلگادو ایستاد و انگشتش روی دکمه دستگاه ایستاد. سپس آن را هل داد. گاو نر در چند قدمی‌دانشمند ایستاده بود (شکل ۲.۱). گاو نر در حال حاضر آرام آنجا ایستاده بود و به دلگادو نگاه می‌کرد و او به پشت خیره می‌شد و لبخند می‌زد. این گاو نر معمولی یک ویژگی عجیب داشت که به دلگادو اعتماد به نفس می‌داد: یک محرک الکتریکی کاشته شده با جراحی در هسته دمی‌اش. دستگاهی که در دست دلگادو بود یک فرستنده رادیویی بود که او برای فعال کردن محرک ساخته بود. دلگادو با تحریک هسته دمی‌گاو، تهاجم آن را خاموش کرده بود.

What motivated Delgado’s unusual scientific experiment? Years before, Delgado had been horrified by the increasingly popular frontal lobotomy surgical procedure that destroyed brain tissue and along with it, its function in order to treat mental disorders. He was interested in finding a more conservative approach to treating these disorders through electrical stimulation. Using his knowledge of the electrical properties of neurons, neuroanatomy, and brain function, Delgado designed the first remote-controlled neural implants ever to be used. Exceedingly controversial at the time, they were the forerunners of the now common intracranial devices that are used for stimulating the brain to treat disorders such as Parkinson’s disease, chronic pain, neuromuscular dysfunction, and other maladies.

چه چیزی باعث آزمایش علمی‌غیرمعمول دلگادو شد؟ سال‌ها قبل، دلگادو از روش جراحی لوبوتومی‌فرونتال که به طور فزاینده‌ای رایج شده بود، که بافت مغز و همراه با آن، عملکرد آن را برای درمان اختلالات روانی تخریب می‌کرد، وحشت کرده بود. او علاقه مند به یافتن رویکرد محافظه کارانه تری برای درمان این اختلالات از طریق تحریک الکتریکی بود. دلگادو با استفاده از دانش خود در مورد خواص الکتریکی نورون‌ها، آناتومی‌عصبی و عملکرد مغز، اولین ایمپلنت عصبی کنترل‌شده از راه دور را طراحی کرد. آنها که در آن زمان بسیار بحث برانگیز بودند، پیشگامان دستگاه‌های رایج داخل جمجمه ای بودند که برای تحریک مغز برای درمان اختلالاتی مانند بیماری پارکینسون، درد مزمن، اختلال عملکرد عصبی عضلانی و سایر بیماری‌ها استفاده می‌شود.

Delgado understood that the nervous system uses electrochemical signaling for communication. He also understood that inside the brain, neurons and their long-distance projections (axons) form intricate wiring patterns. An electrical signal initiated at one location can travel to another location to trigger the contraction of a muscle, or the initiation or cessation of a behavior. This knowledge is the foundation on which all theories of neuronal signaling are built.

دلگادو متوجه شد که سیستم عصبی از سیگنال‌های الکتروشیمیایی برای ارتباط استفاده می‌کند. او همچنین متوجه شد که در داخل مغز، نورون‌ها و برجستگی‌های دوردست آنها (آکسون‌ها) الگوهای سیم‌کشی پیچیده‌ای را تشکیل می‌دهند. یک سیگنال الکتریکی که در یک مکان شروع می‌شود می‌تواند به مکان دیگری حرکت کند تا باعث انقباض عضله یا شروع یا توقف یک رفتار شود. این دانش پایه ای است که تمام تئوری‌های سیگنال دهی عصبی بر روی آن ساخته شده اند.

FIGURE 2.1 Jose Delgado halting a charging bull by remote control.

شکل ۲.۱ خوزه دلگادو در حال توقف یک گاو نر شارژ با کنترل از راه دور.

Our goal as cognitive neuroscientists is to figure out what the 89 billion neurons of the human brain do and how their collective action enables us to walk, talk, and imagine the unimaginable. We can approach the biological system that is the brain from several levels of analysis: from atomic, molecular, and cellular levels upward to circuit, network, system, and cognitive levels, and finally, to the highest levels, involving the interactions of humans with each other-our familial, societal, and cultural lives.

هدف ما به عنوان دانشمندان علوم اعصاب شناختی این است که بفهمیم ۸۹ میلیارد نورون مغز انسان چه کار می‌کنند و چگونه کنش جمعی آنها ما را قادر می‌سازد راه برویم، صحبت کنیم و غیرقابل تصور را تصور کنیم. ما می‌توانیم از چندین سطح تحلیل به سیستم بیولوژیکی که مغز است نزدیک شویم: از سطوح اتمی، مولکولی و سلولی به بالا تا مدار، شبکه، سیستم و سطوح شناختی، و در نهایت، به بالاترین سطوح، شامل تعاملات انسان‌ها با یکدیگر – زندگی خانوادگی، اجتماعی و فرهنگی ما.

Since all theories of how the brain enables the mind must ultimately mesh with the actual nuts and bolts of the nervous system, and what it can and can not do, we need to understand the basics of neurons. We must appreciate the structure and function of neurons on the individual level, as well as when they are strung together into the circuits, networks, and systems that form the brain and the nervous system as a whole. Thus, for us, it is important to understand the basic physiology of neurons and the anatomy of the nervous system. In this chapter we review the principles of brain structure that support cognition. In chapters that follow, we look at what results from the activity within and among specific brain circuits, networks, and systems (e.g., perception, cognition, emotion, and action).

از آنجایی که تمام تئوری‌ها در مورد اینکه چگونه مغز ذهن را قادر می‌سازد، باید در نهایت با مهره‌ها و پیچ‌های واقعی سیستم عصبی و اینکه چه کاری می‌تواند انجام دهد و چه کاری نمی‌تواند انجام دهد، در هم آمیخت، باید اصول اولیه نورون‌ها را درک کنیم. ما باید ساختار و عملکرد نورون‌ها را در سطح فردی و همچنین زمانی که آنها در مدارها، شبکه‌ها و سیستم‌هایی که مغز و سیستم عصبی را به طور کلی تشکیل می‌دهند به هم متصل می‌شوند، قدردانی کنیم. بنابراین، برای ما، درک فیزیولوژی اولیه نورون‌ها و آناتومی‌سیستم عصبی مهم است. در این فصل به بررسی اصول ساختار مغز که از شناخت پشتیبانی می‌کنند می‌پردازیم. در فصل‌های بعدی، به آنچه که از فعالیت درون و در میان مدارها، شبکه‌ها و سیستم‌های خاص مغز (به عنوان مثال، ادراک، شناخت، احساسات و عمل) نتیجه می‌شود، نگاه می‌کنیم.

۲.۱ The Cells of the Nervous System

۲.۱ سلول‌های سیستم عصبی

The nervous system is composed of two main classes of cells: neurons and glial cells. Neurons are the basic signaling units that transmit information throughout the nervous system. As Santiago Ramón y Cajal and others of his time deduced, neurons take in information, make a “decision” about it following some relatively simple rules, and then, by changes in their activity levels, pass the signal along to other neurons or muscles. Neurons vary in their form, location, and interconnectivity within the nervous system (Figure 2.2), and these variations are closely related to their functions. Glial cells serve various functions in the nervous system, providing structural support and electrical insulation to neurons and modulating neuronal activity. We begin with a quick look at glial cells, after which we will turn our focus back to neurons.

سیستم عصبی از دو دسته اصلی سلول‌ها تشکیل شده است: سلول‌های عصبی و سلول‌های گلیال. نورون‌ها واحدهای اصلی سیگنال هستند که اطلاعات را در سراسر سیستم عصبی منتقل می‌کنند. همانطور که سانتیاگو رامون و کخال و دیگران در زمان خود استنباط کردند، نورون‌ها اطلاعات را دریافت می‌کنند، با پیروی از قوانین نسبتاً ساده درباره آن تصمیم می‌گیرند و سپس با تغییر در سطوح فعالیت خود، سیگنال را به نورون‌ها یا ماهیچه‌های دیگر منتقل می‌کنند. نورون‌ها در شکل، مکان و اتصال درونی خود در سیستم عصبی متفاوت هستند (شکل ۲.۲)، و این تغییرات ارتباط نزدیکی با عملکرد آنها دارد. سلول‌های گلیال عملکردهای مختلفی را در سیستم عصبی انجام می‌دهند و پشتیبانی ساختاری و عایق الکتریکی نورون‌ها را فراهم می‌کنند و فعالیت نورون‌ها را تعدیل می‌کنند. ما با نگاهی سریع به سلول‌های گلیال شروع می‌کنیم و پس از آن تمرکز خود را به نورون‌ها برمی‌گردانیم.

Glial Cells

سلول‌های گلیال

There are roughly as many glial cells in the brain as there are neurons. The central nervous system has three main types of glial cells: astrocytes, microglial cells, and oligodendrocytes (Figure 2.3). Astrocytes are large glial cells with round or radially symmetrical forms; they surround neurons and are in close contact with the brain’s vasculature. An astrocyte makes contact with blood vessels at specializations called end feet, which permit the astrocyte to transport ions across the vascular wall.

تقریباً به اندازه سلول‌های عصبی در مغز سلول‌های گلیال وجود دارد. سیستم عصبی مرکزی دارای سه نوع اصلی سلول گلیال است: آستروسیت‌ها، سلول‌های میکروگلیال و الیگودندروسیت‌ها (شکل ۲.۳). آستروسیت‌ها سلول‌های گلیال بزرگ با فرم‌های متقارن گرد یا شعاعی هستند. آنها نورون‌ها را احاطه کرده و در تماس نزدیک با عروق مغز هستند. یک آستروسیت با رگ‌های خونی در تخصص‌هایی به نام پاهای انتهایی تماس برقرار می‌کند که به آستروسیت اجازه می‌دهد یون‌ها را از دیواره عروقی منتقل کند.

The astrocytes create a barrier, called the blood- brain barrier (BBB), between the tissues of the central nervous system and the blood. The BBB restricts the diffusion of microscopic objects (such as most bacteria) and large hydrophilic molecules in the blood from entering the neural tissue, but it allows the diffusion of small hydrophobic molecules, such as oxygen, carbon dioxide, and hormones. Many drugs and certain neuroactive agents, including dopamine and norepinephrine, when placed in the blood, cannot cross the BBB. Thus, it plays a vital role in protecting the central nervous system from blood-borne agents such as chemical compounds and also pathogens.

آستروسیت‌ها سدی به نام سد خونی مغزی (BBB) ​​بین بافت‌های سیستم عصبی مرکزی و خون ایجاد می‌کنند. BBB انتشار اجسام میکروسکوپی (مانند اکثر باکتری‌ها) و مولکول‌های بزرگ آبدوست در خون را از ورود به بافت عصبی محدود می‌کند، اما اجازه انتشار مولکول‌های آبگریز کوچک مانند اکسیژن، دی اکسید کربن و هورمون‌ها را می‌دهد. بسیاری از داروها و برخی عوامل عصبی فعال، از جمله دوپامین و نوراپی نفرین، وقتی در خون قرار می‌گیرند، نمی‌توانند از BBB عبور کنند. بنابراین، نقش حیاتی در محافظت از سیستم عصبی مرکزی در برابر عوامل منتقله از خون مانند ترکیبات شیمیایی و همچنین عوامل بیماری زا ایفا می‌کند.

Evidence gathered over the past decade suggests that astrocytes also have an active role in brain function. In vitro studies indicate that they respond to and release neurotransmitters and other neuroactive substances that affect neuronal activity and modulate synaptic strength. In vivo studies found that when astrocyte activity is blocked, neuronal activity increases, supporting the notion that neuronal activity is moderated by astrocyte activity (Schummers et al., 2008). It is hypothesized that astrocytes either directly or indirectly regulate the reuptake of neurotransmitters. 

شواهد جمع آوری شده در دهه گذشته نشان می‌دهد که آستروسیت‌ها نیز نقش فعالی در عملکرد مغز دارند. مطالعات آزمایشگاهی نشان می‌دهد که آنها به انتقال‌دهنده‌های عصبی و سایر مواد عصبی فعالی که بر فعالیت عصبی تأثیر می‌گذارند و قدرت سیناپسی را تعدیل می‌کنند، پاسخ می‌دهند و آزاد می‌کنند. مطالعات in vivo نشان داد که وقتی فعالیت آستروسیت مسدود می‌شود، فعالیت نورون‌ها افزایش می‌یابد، که از این ایده حمایت می‌کند که فعالیت نورونی توسط فعالیت آستروسیت تعدیل می‌شود (Schummers et al., 2008). فرض بر این است که آستروسیت‌ها به طور مستقیم یا غیرمستقیم جذب مجدد انتقال دهنده‌های عصبی را تنظیم می‌کنند.

FIGURE 2.2 Mammalian neurons show enormous anatomical variety.
(a) Neuron (red) from the vestibular area of the brain. Glial cells are the thin, lighter structures (confocal light micrograph). (b) Hippocampal neuron (yellow; fluorescent micrograph). (c) Neuron (brown) in mouse dorsal root ganglion of the spinal cord (transmission electron micrograph). (d) Neuron in cell culture from dorsal root ganglia of an embryonic rat (fluorescent micrograph). (e) Pyramidal neuron from the brain. (f) Multipolar neuron cell body from human cerebral cortex (scanning electron micrograph).

شکل ۲.۲ نورون‌های پستانداران تنوع آناتومیک بسیار زیادی را نشان می‌دهند.
(الف) نورون (قرمز) از ناحیه دهلیزی مغز. سلول‌های گلیال ساختارهای نازک و سبک تری هستند (میکروگراف نوری هم کانونی). (ب) نورون هیپوکامپ (زرد؛ میکروگراف فلورسنت). (ج) نورون (قهوه ای) در گانگلیون ریشه پشتی نخاع موش (میکروگراف الکترونی عبوری). (د) نورون در کشت سلولی از گانگلیون‌های ریشه پشتی موش جنینی (میکروگراف فلورسنت). (ه) نورون هرمی‌از مغز. (f) جسم سلولی نورون چندقطبی از قشر مغز انسان (میکروگراف الکترونی روبشی).

Glial cells also form the fatty substance called myelin in the nervous system. In the central nervous system, oligodendrocytes form myelin; in the peripheral nervous system, Schwann cells carry out this task (Figure 2.3). Both glial cell types create myelin by wrapping their cell membranes around the axon in a concentric manner during development and maturation. The cytoplasm in that portion of the glial cell is squeezed out, leaving layers of the lipid bilayer of the glial cell sheathing the membrane. Myelin is a good electrical insulator, preventing loss of electrical current across the cell membrane. It increases the speed and distance that information can travel along a neuron.

سلول‌های گلیال نیز ماده چربی به نام میلین را در سیستم عصبی تشکیل می‌دهند. در سیستم عصبی مرکزی، الیگودندروسیت‌ها میلین را تشکیل می‌دهند. در سیستم عصبی محیطی، سلول‌های شوان این وظیفه را انجام می‌دهند (شکل ۲.۳). هر دو نوع سلول گلیال با پیچاندن غشای سلولی خود به دور آکسون به صورت متحدالمرکز در طول رشد و بلوغ میلین ایجاد می‌کنند. سیتوپلاسم در آن قسمت از سلول گلیال فشرده می‌شود و لایه‌هایی از دولایه لیپیدی سلول گلیال را که غشاء را پوشانده است باقی می‌گذارد. میلین یک عایق الکتریکی خوب است که از اتلاف جریان الکتریکی در غشای سلولی جلوگیری می‌کند. سرعت و مسافتی که اطلاعات می‌توانند در طول یک نورون طی کنند را افزایش می‌دهد.

Microglial cells, which are small and irregularly shaped (Figure 2.3), are phagocytes that devour and remove damaged cells. Unlike many cells in the central nervous system, microglial cells can proliferate even in adults (as do other glial cells).

سلول‌های میکروگلیال، که کوچک و به شکل نامنظم هستند (شکل ۲.۳)، فاگوسیت‌هایی هستند که سلول‌های آسیب دیده را می‌بلعند و از بین می‌برند. برخلاف بسیاری از سلول‌های سیستم عصبی مرکزی، سلول‌های میکروگلیال حتی در بزرگسالان نیز می‌توانند تکثیر شوند (همانند سایر سلول‌های گلیال).

FIGURE 2.3 Various types of glial cells in the mammalian central and peripheral nervous systems.
An astrocyte is shown with end feet attached to a blood vessel. Oligodendrocytes and Schwann cells produce myelin around the axons of neurons (oligodendrocytes in the central nervous system, Schwann cells in the peripheral nervous system). Microglial cells dispose of damaged cells.

شکل ۲.۳ انواع مختلف سلول‌های گلیال در سیستم عصبی مرکزی و محیطی پستانداران.
یک آستروسیت با پاهای انتهایی متصل به رگ خونی نشان داده شده است. الیگودندروسیت‌ها و سلول‌های شوان میلین را در اطراف آکسون‌های نورون‌ها تولید می‌کنند (الیگودندروسیت‌ها در سیستم عصبی مرکزی، سلول‌های شوان در سیستم عصبی محیطی). سلول‌های میکروگلیال سلول‌های آسیب دیده را دفع می‌کنند.

FIGURE 2.4 Idealized mammalian neuron.
A neuron is composed of three main parts: a cell body, dendrites, and an axon. The cell body contains the cellular machinery for the production of proteins and other macromolecules. Like other cells, the neuron contains a nucleus, endoplasmic reticulum, ribosomes, mitochondria, Golgi apparatus, and other intracellular organelles (inset). The dendrites and axon are extensions of the cell membrane and contain cytoplasm continuous with the cytoplasm inside the cell body.

شکل ۲.۴ نورون پستانداران ایده آل.
یک نورون از سه بخش اصلی تشکیل شده است: جسم سلولی، دندریت و آکسون. بدن سلولی شامل ماشین آلات سلولی برای تولید پروتئین‌ها و سایر ماکرومولکول‌ها است. مانند سایر سلول‌ها، نورون حاوی هسته، شبکه آندوپلاسمی، ریبوزوم، میتوکندری، دستگاه گلژی و سایر اندامک‌های درون سلولی است. دندریت‌ها و آکسون امتداد غشای سلولی هستند و حاوی سیتوپلاسم پیوسته با سیتوپلاسم داخل بدنه سلولی هستند.

Neurons

نورون‌ها

The standard cellular components found in almost all eukaryotic cells are also found in neurons (as well as in glial cells). A cell membrane encases the cell body (in neurons, it is sometimes called the soma; Greek for “body”), which contains the metabolic machinery that maintains the neuron: nucleus, endoplasmic reticulum, cytoskeleton, mitochondria, Golgi apparatus, and other common intracellular organelles (Figure 2.4). These structures are suspended in cytoplasm, the salty intracellular fluid that is made up of a combination of ions (molecules or atoms that have either a positive or negative electrical charge)-predominantly ions of potassium, sodium, chloride, and calcium-as well as molecules such as proteins.

اجزای سلولی استاندارد که تقریباً در تمام سلول‌های یوکاریوتی یافت می‌شوند، در نورون‌ها (و همچنین در سلول‌های گلیال) یافت می‌شوند. یک غشای سلولی بدن سلولی را در بر می‌گیرد (در نورون‌ها گاهی اوقات به آن سوما می‌گویند؛ یونانی به معنای «بدن»)، که شامل دستگاه متابولیک است که نورون را حفظ می‌کند: هسته، شبکه آندوپلاسمی، اسکلت سلولی، میتوکندری، دستگاه گلژی، و سایر اندامک‌های رایج درون سلولی (شکل ۲.۴). این ساختارها در سیتوپلاسم، مایع شور درون سلولی که از ترکیبی از یون‌ها (مولکول‌ها یا اتم‌هایی که دارای بار الکتریکی مثبت یا منفی هستند) – عمدتاً یون‌های پتاسیم، سدیم، کلرید و کلسیم- و همچنین مولکول‌هایی مانند پروتئین‌ها، معلق هستند.

The neuron itself, like any other cell, sits in a bath of salty extracellular fluid, which is made up of a mixture of the same types of ions.

خود نورون مانند هر سلول دیگری در حمامی‌از مایع خارج سلولی نمکی قرار دارد که از مخلوطی از همان نوع یون‌ها تشکیل شده است.

In addition, however, neurons possess unique cytological features and physiological properties that enable them to transmit and process information rapidly. The two predominant cellular components unique to neurons are the dendrites and the axon. Dendrites are branching extensions of the neuron that receive inputs from other neurons. They have many varied and complex forms, depending on the type and location of the neuron. The arborizations may look like the branches and twigs of an oak tree, as seen in the complex dendritic structures of the cerebellar Purkinje cells (Figure 2.5), or they may be much simpler, such as the dendrites in spinal motor neurons (Figure 2.6). Most dendrites also have specialized processes called spines, little knobs attached by small necks to the surface of the dendrites, where the dendrites receive inputs from other neurons (Figure 2.7).

علاوه بر این، نورون‌ها دارای ویژگی‌های سیتولوژیکی و خواص فیزیولوژیکی منحصربه‌فردی هستند که آنها را قادر می‌سازد تا اطلاعات را به سرعت منتقل و پردازش کنند. دو جزء سلولی غالب منحصر به نورون‌ها دندریت و آکسون هستند. دندریت‌ها امتدادهای منشعب نورون هستند که ورودی‌های نورون‌های دیگر را دریافت می‌کنند. آنها بسته به نوع و محل نورون، اشکال متنوع و پیچیده زیادی دارند. درختکاری‌ها ممکن است مانند شاخه‌ها و شاخه‌های یک درخت بلوط به نظر برسند، همانطور که در ساختارهای دندریتیک پیچیده سلول‌های پورکنژ مخچه دیده می‌شود (شکل ۲.۵)، یا ممکن است بسیار ساده‌تر باشند، مانند دندریت‌ها در نورون‌های حرکتی ستون فقرات (شکل ۲.۶). بیشتر دندریت‌ها همچنین دارای فرآیندهای تخصصی به نام خارها هستند، دستگیره‌های کوچکی که توسط گردن‌های کوچک به سطح دندریت‌ها متصل می‌شوند، جایی که دندریت‌ها ورودی‌های نورون‌های دیگر را دریافت می‌کنند (شکل ۲.۷).

FIGURE 2.5 Soma and dendritic tree of a Purkinje cell from the cerebellum.
The Purkinje cells are arrayed in rows in the cerebellum. Each one has a large dendritic tree that is wider in one direction than the other. (a) Drawing of Purkinje cell as viewed in a cross section through a cerebellar folium. (b) Confocal micrograph of a Purkinje cell from mouse cerebellum. The cell is visualized using fluorescence methods.

شکل ۲.۵ سوما و درخت دندریتیک سلول پورکنژ از مخچه.
سلول‌های پورکنژ در ردیف‌هایی در مخچه قرار گرفته اند. هر یک دارای درخت دندریتی بزرگی است که در یک جهت از جهت دیگر پهن تر است. (الف) رسم سلول پورکنژ به صورت مقطعی از یک برگ مخچه. (ب) میکروگراف کانفوکال یک سلول پورکنژ از مخچه موش. سلول با استفاده از روش‌های فلورسانس تجسم می‌شود.

FIGURE 2.6 Spinal motor neuron.
(a) Neurons located in the ventral horn of the spinal cord send their axons out the ventral root to make synapses on muscle fibers. (b) A spinal cord motor neuron stained with cresyl echt violet stain.

شکل ۲.۶ نورون حرکتی ستون فقرات.
(الف) نورون‌های واقع در شاخ شکمی طناب نخاعی، آکسون‌های خود را به بیرون از ریشه شکمی‌می‌فرستند تا سیناپس‌هایی را روی رشته‌های عضلانی ایجاد کنند. (ب) نورون حرکتی طناب نخاعی رنگ آمیزی شده با رنگ بنفش کرسیل اچ.

FIGURE 2.7 Dendritic spines on cultured rat hippocampal neurons. This neuron has been triple stained to reveal the cell body (blue), dendrites (green), and spines (red).

شکل ۲.۷ خارهای دندریتیک روی نورون‌های هیپوکامپ کشت داده شده موش صحرایی. این نورون سه بار رنگ آمیزی شده است تا بدن سلولی (آبی)، دندریت‌ها (سبز) و خارها (قرمز) را نشان دهد.

The axon is a single process that extends from the cell body. This structure represents the output side of the neuron. Electrical signals travel along the length of the axon to its end, the axon terminals, where the neuron transmits the signal to other neurons or other targets. Transmission occurs at the synapse, a specialized structure where two neurons come into close contact so that chemical or electrical signals can be passed from one cell to the next. Some axons branch to form axon collaterals that can transmit signals to more than one cell (Figure 2.8).

آکسون یک فرآیند واحد است که از بدن سلولی گسترش می‌یابد. این ساختار نمایانگر سمت خروجی نورون است. سیگنال‌های الکتریکی در امتداد طول آکسون تا انتهای آن، پایانه‌های آکسون، جایی که نورون سیگنال را به نورون‌های دیگر یا اهداف دیگر منتقل می‌کند، حرکت می‌کند. انتقال در سیناپس اتفاق می‌افتد، یک ساختار تخصصی که در آن دو نورون در تماس نزدیک قرار می‌گیرند تا سیگنال‌های شیمیایی یا الکتریکی از یک سلول به سلول دیگر منتقل شود. برخی از آکسون‌ها برای تشکیل وثیقه‌های آکسونی منشعب می‌شوند که می‌توانند سیگنال‌ها را به بیش از یک سلول منتقل کنند (شکل ۲.۸).

FIGURE 2.8 Axons can take different forms.
A neuron (far right) and its axon collaterals (left half of image) are shown stained in yellow. The cell body (at far right) gives rise to an axon, which branches, forming collaterals that can make contact with many different neurons.

شکل ۲.۸ آکسون‌ها می‌توانند اشکال مختلفی داشته باشند.
یک نورون (سمت راست) و طرف‌های آکسون آن (نیمه سمت چپ تصویر) به رنگ زرد نشان داده شده‌اند. بدن سلولی (در منتهی الیه سمت راست) یک آکسون ایجاد می‌کند که منشعب می‌شود و وثیقه‌هایی را تشکیل می‌دهد که می‌توانند با بسیاری از نورون‌های مختلف تماس برقرار کنند.

Many axons are wrapped in layers of myelin. Along the length of the axons, there are evenly spaced gaps in the myelin; these gaps are commonly referred to as nodes of Ranvier (see Figure 2.12). Later, when we look at how signals move down an axon, we will explore the role of myelin and the nodes of Ranvier in accelerating signal transmission.

بسیاری از آکسون‌ها در لایه‌های میلین پیچیده شده اند. در طول آکسون‌ها، شکاف‌هایی با فاصله یکنواخت در میلین وجود دارد. این شکاف‌ها معمولاً به عنوان گره‌های Ranvier نامیده می‌شوند (شکل ۲.۱۲ را ببینید). بعداً، وقتی به چگونگی حرکت سیگنال‌ها به سمت پایین آکسون نگاه می‌کنیم، نقش میلین و گره‌های رانویر را در تسریع انتقال سیگنال بررسی خواهیم کرد.

Neuronal Signaling

سیگنالینگ عصبی

Neurons receive, evaluate, and transmit information. These processes are referred to as neuronal signaling. Information that is received by the neuron at its input synapses passes through the cell body and then, via the axon, to output synapses on the axon terminals. At these output synapses, information is transferred across synapses from one neuron to the next neuron; or to nonneuronal cells such as those in muscles or glands; or to other targets, such as blood vessels.

نورون‌ها اطلاعات را دریافت، ارزیابی و انتقال می‌دهند. این فرآیندها به عنوان سیگنالینگ عصبی شناخته می‌شوند. اطلاعاتی که توسط نورون در سیناپس‌های ورودی خود دریافت می‌شود از بدن سلولی عبور می‌کند و سپس از طریق آکسون به سیناپس‌های خروجی در پایانه‌های آکسون می‌پردازد. در این سیناپس‌های خروجی، اطلاعات در سیناپس‌ها از یک نورون به نورون بعدی منتقل می‌شود. یا به سلول‌های غیر عصبی مانند سلول‌های ماهیچه‌ها یا غدد. یا به اهداف دیگر مانند رگ‌های خونی.

Within a neuron, information moves from input synapses to output synapses through changes in the electrical state of the neuron caused by the flow of electrical currents within the neuron and across its neuronal membrane. Between neurons, information transfer across synapses is typically mediated chemically by neurotransmitters (signaling molecules); these synapses are called chemical synapses. At electrical synapses, however, signals between neurons travel via transsynaptic electrical currents. Regarding information flow, neurons are referred to as either presynaptic or post- synaptic in relation to any particular synapse. Most neurons are both presynaptic and postsynaptic: They are presynaptic when their axon’s output synapses make connections onto other neurons or targets, and they are postsynaptic when other neurons make a connection at input synapses onto their dendrites or elsewhere on the receiving neuron.

در درون یک نورون، اطلاعات از سیناپس‌های ورودی به سیناپس‌های خروجی از طریق تغییرات در وضعیت الکتریکی نورون ناشی از جریان جریان‌های الکتریکی درون نورون و در سراسر غشای عصبی آن حرکت می‌کند. بین نورون‌ها، انتقال اطلاعات در سیناپس‌ها معمولاً به‌طور شیمیایی توسط انتقال‌دهنده‌های عصبی (مولکول‌های سیگنال‌دهنده) انجام می‌شود. به این سیناپس‌ها سیناپس‌های شیمیایی می‌گویند. با این حال، در سیناپس‌های الکتریکی، سیگنال‌های بین نورون‌ها از طریق جریان‌های الکتریکی فراسیناپسی حرکت می‌کنند. با توجه به جریان اطلاعات، نورون‌ها به عنوان پیش سیناپسی یا پس سیناپسی در رابطه با هر سیناپس خاص شناخته می‌شوند. اکثر نورون‌ها هم پیش سیناپسی و هم پس سیناپسی هستند: زمانی که سیناپس‌های خروجی آکسون آنها با سایر نورون‌ها یا اهداف ارتباط برقرار می‌کنند، پیش سیناپسی هستند و زمانی که نورون‌های دیگر در سیناپس‌های ورودی به دندریت‌های خود یا در جای دیگری روی نورون گیرنده ارتباط برقرار می‌کنند، پس سیناپسی هستند.

THE MEMBRANE POTENTIAL

پتانسیل غشاء

The process of signaling has several stages. Let’s return to Delgado’s bull, whose neurons process information in the same way ours do. The bull is snorting about in the dirt, head down, when suddenly a sound wave-produced by Delgado entering the ring courses down its auditory canal and hits the tympanic membrane (eardrum). The resultant stimulation of the auditory receptor cells (auditory hair cells) generates neuronal signals that are transmitted via the auditory pathways to the brain. At each stage of this ascending auditory pathway, neurons receive inputs on their dendrites that typically cause them to generate signals that are transmitted to the next neuron in the pathway.

فرآیند سیگنال دهی چندین مرحله دارد. بیایید به گاو دلگادو برگردیم که نورون‌هایش اطلاعات را به همان روشی پردازش می‌کنند که نورون‌های ما انجام می‌دهند. گاو نر در حال خرخر کردن در خاک، سر به پایین است، که ناگهان یک موج صوتی تولید شده توسط دلگادو که وارد حلقه می‌شود از کانال شنوایی خود عبور می‌کند و به پرده تمپان (پرده گوش) برخورد می‌کند. تحریک حاصل از سلول‌های گیرنده شنوایی (سلول‌های موی شنوایی) سیگنال‌های عصبی تولید می‌کند که از طریق مسیرهای شنوایی به مغز منتقل می‌شود. در هر مرحله از این مسیر صعودی شنوایی، نورون‌ها ورودی‌هایی را روی دندریت‌های خود دریافت می‌کنند که معمولاً باعث می‌شود سیگنال‌هایی تولید کنند که به نورون بعدی در مسیر منتقل می‌شود.

How does the neuron generate these signals, and what are these signals? To answer these questions, we have to understand several things about neurons. First, energy is needed to generate the signals. Second, this energy is in the form of an electrical potential across the neuronal membrane. This electrical potential is defined as the difference in voltage across the neuronal membrane or, put simply, the voltage inside the neuron versus out- side the neuron. Third, these two voltages depend on the concentrations of potassium, sodium, and chloride ions, as well as on charged protein molecules both inside and outside of the cell. Fourth, when a neuron is in its resting state and not actively signaling, the inside of a neuron is more negatively charged than the outside. The voltage difference across the neuronal membrane in the resting state is typically about -70 millivolts (mV) inside, which is known as the resting potential or resting membrane potential. This electrical-potential difference means that the neuron has at its disposal a kind of battery; and like a battery, the stored energy can be used to do work- signaling work (Figure 2.9).

نورون چگونه این سیگنال‌ها را تولید می‌کند و این سیگنال‌ها چیست؟ برای پاسخ به این سوالات، ما باید چندین چیز را در مورد نورون‌ها درک کنیم. اول، انرژی برای تولید سیگنال مورد نیاز است. دوم، این انرژی به شکل یک پتانسیل الکتریکی در سراسر غشای عصبی است. این پتانسیل الکتریکی به عنوان تفاوت ولتاژ در سراسر غشای عصبی یا به عبارت ساده، ولتاژ داخل نورون در مقابل خارج از نورون تعریف می‌شود. سوم، این دو ولتاژ به غلظت یون‌های پتاسیم، سدیم و کلرید و همچنین به مولکول‌های پروتئین باردار در داخل و خارج سلول بستگی دارند. چهارم، هنگامی‌که یک نورون در حالت استراحت است و به طور فعال سیگنال نمی‌دهد، درون یک نورون بار منفی بیشتری نسبت به بیرون دارد. تفاوت ولتاژ بین غشای عصبی در حالت استراحت معمولاً حدود ۷۰- میلی ولت (mV) در داخل است که به عنوان پتانسیل استراحت یا پتانسیل غشاء استراحت شناخته می‌شود. این تفاوت پتانسیل الکتریکی به این معنی است که نورون نوعی باتری را در اختیار دارد. و مانند باتری، انرژی ذخیره شده را می‌توان برای انجام کار سیگنالینگ استفاده کرد (شکل ۲.۹).

How does the neuron generate and maintain this resting potential, and how does it use it for signaling? To answer these questions about function, we first need to examine the structures in the neuron that are involved in signaling. The bulk of the neuronal membrane is a bilayer of fatty lipid molecules that separates the cytoplasm from the extracellular milieu. Because the membrane is composed of lipids, it does not dissolve in the watery environments found inside and outside of the neuron, and it blocks the flow of water-soluble substances between the inside and the outside. It prevents ions, proteins, and other water- soluble molecules from moving across it. To understand neuronal signaling, we must focus on ions. This point is important: The lipid membrane maintains the separation of intracellular and extracellular ions and electrical charge that ultimately permits neuronal communication.

نورون چگونه این پتانسیل استراحت را تولید و حفظ می‌کند و چگونه از آن برای سیگنال دهی استفاده می‌کند؟ برای پاسخ به این سوالات در مورد عملکرد، ابتدا باید ساختارهای موجود در نورون را که در سیگنال دهی نقش دارند بررسی کنیم. بخش اعظم غشای عصبی یک لایه دولایه از مولکول‌های چربی چربی است که سیتوپلاسم را از محیط خارج سلولی جدا می‌کند. از آنجا که غشاء از لیپیدها تشکیل شده است، در محیط‌های آبی موجود در داخل و خارج نورون حل نمی‌شود و جریان مواد محلول در آب را بین داخل و خارج مسدود می‌کند. از حرکت یون‌ها، پروتئین‌ها و سایر مولکول‌های محلول در آب در آن جلوگیری می‌کند. برای درک سیگنال‌های عصبی، باید روی یون‌ها تمرکز کنیم. این نکته مهم است: غشای لیپیدی جداسازی یون‌های درون سلولی و خارج سلولی و بار الکتریکی را حفظ می‌کند که در نهایت امکان ارتباط عصبی را فراهم می‌کند.

The neuronal membrane, though, is not merely a lipid bilayer. The membrane is peppered with transmembrane proteins, some of which serve as conduits for ions to move across the membrane (Figure 2.9, inset). These proteins are of two main types: ion channels and ion pumps. Ion channels, as we will see, are proteins with a pore through the center, and they allow certain ions to flow down their electrochemical and concentration gradients. Ion pumps use energy to actively transport ions across the membrane against their concentration gradients-that is, from regions of low concentration to regions of higher concentration.

با این حال، غشای عصبی صرفاً یک لایه لیپیدی نیست. غشاء با پروتئین‌های گذرنده پر شده است، که برخی از آنها به عنوان مجرای حرکت یون‌ها در سراسر غشاء عمل می‌کنند (شکل ۲.۹، ورودی). این پروتئین‌ها دو نوع اصلی هستند: کانال‌های یونی و پمپ‌های یونی. همانطور که خواهیم دید، کانال‌های یونی پروتئین‌هایی هستند که منفذی در مرکز دارند و به یون‌های خاصی اجازه می‌دهند تا در شیب الکتروشیمیایی و غلظت خود جریان پیدا کنند. پمپ‌های یونی از انرژی برای انتقال فعال یون‌ها در سراسر غشاء در برابر شیب غلظت آنها استفاده می‌کنند – یعنی از مناطق با غلظت کم به مناطق با غلظت بالاتر.

lon channels. The transmembrane passageways created by ion channels are formed from the three-dimensional structure of these proteins. These hydrophilic channels selectively permit one type of ion to pass through the membrane. The ion channels of concern to us–the ones found in neurons-are selective for sodium, potassium, calcium, or chloride ions (Na⁺, K⁺, Ca^۲+, and Cl^–, respectively; Figure 2.9, inset). The extent to which a particular ion can cross the membrane through a given ion channel is referred to as its permeability. This characteristic of ion channels gives the neuronal membrane the attribute of selective permeability. (Selective permeability is actually a property of all cells in the body; as part of cellular homeostasis, it enables cells to maintain internal chemical stability.) The neuronal membrane is more permeable to K than to Na⁺ (or other) ions-a property that contributes to the resting membrane potential, as we will learn shortly. The membrane permeability to K⁺ is larger because there are many more K-selective channels than any other type of ion channel.

کانال‌های lon گذرگاه‌های غشایی ایجاد شده توسط کانال‌های یونی از ساختار سه بعدی این پروتئین‌ها تشکیل می‌شوند. این کانال‌های آبدوست به طور انتخابی به یک نوع یون اجازه عبور از غشا را می‌دهند. کانال‌های یونی مورد توجه ما – آنهایی که در نورون‌ها یافت می‌شوند – برای یون‌های سدیم، پتاسیم، کلسیم یا کلرید انتخابی هستند (به ترتیب +Na+، K+، Ca2 و -Cl؛ شکل ۲.۹، ورودی). میزانی که یک یون خاص می‌تواند از طریق یک کانال یونی معین از غشا عبور کند، نفوذپذیری آن نامیده می‌شود. این ویژگی کانال‌های یونی به غشای عصبی ویژگی نفوذپذیری انتخابی می‌دهد. (نفوذپذیری انتخابی در واقع ویژگی همه سلول‌های بدن است؛ به عنوان بخشی از هموستاز سلولی، سلول‌ها را قادر می‌سازد تا ثبات شیمیایی درونی خود را حفظ کنند.) غشای عصبی نسبت به +K نفوذپذیری بیشتری دارد تا یون‌های +Na (یا دیگر) – خاصیتی که به پتانسیل استراحت غشاء کمک می‌کند، همانطور که به زودی خواهیم آموخت. نفوذپذیری غشاء به +K بزرگتر است زیرا تعداد کانالهای انتخابی +K بسیار بیشتر از هر نوع کانال یونی دیگری وجود دارد.

FIGURE 2.9 Ion channels in a segment of neuronal membrane and measuring resting membrane potential.
Idealized neuron (left), shown with an intracellular recording electrode penetrating the neuron. The electrode measures the difference between the voltage inside versus outside the neuron, and this difference is amplified and displayed on an oscilloscope screen (top). The oscilloscope screen shows voltage over time. Before the electrode enters the neuron, the voltage difference between the electrode and the extracellular reference electrode is zero, but when the electrode is pushed into the neuron, the difference becomes -70 mV, which is the resting membrane potential. The resting membrane potential arises from the asymmetrical distribution of ions of sodium (Na⁺), potassium (K⁺), and chloride (Cl^–), as well as of charged protein molecules (A^–), across the neuron’s cell membrane (inset).

شکل ۲.۹ کانال‌های یونی در بخشی از غشای عصبی و اندازه گیری پتانسیل غشای در حال استراحت.
نورون ایده آل (سمت چپ)، با یک الکترود ضبط داخل سلولی که به نورون نفوذ می‌کند. الکترود تفاوت بین ولتاژ داخل و خارج نورون را اندازه گیری می‌کند و این تفاوت تقویت شده و روی صفحه اسیلوسکوپ (بالا) نمایش داده می‌شود. صفحه اسیلوسکوپ ولتاژ را در طول زمان نشان می‌دهد. قبل از اینکه الکترود وارد نورون شود، اختلاف ولتاژ بین الکترود و الکترود مرجع خارج سلولی صفر است، اما زمانی که الکترود به داخل نورون فشار داده می‌شود، این اختلاف به mV-70 می‌شود که پتانسیل غشای در حال استراحت است. پتانسیل استراحت غشاء از توزیع نامتقارن یون‌های سدیم (+Na)، پتاسیم (+K) و کلرید (-Cl) و همچنین مولکول‌های پروتئین باردار (-A) در سراسر غشای سلولی نورون (داخلی) ناشی می‌شود.

Unlike most cells in the body, neurons are excitable, meaning that their membrane permeability can change (because the membranes have ion channels that are capable of changing their permeability for a particular ion). Such proteins are called gated ion channels. They open or close in response to changes in nearby transmembrane voltage, or to chemical or physical stimuli. In contrast, ion channels that are unregulated, and hence always allow the associated ion to pass through, are known as nongated ion channels.

برخلاف اکثر سلول‌های بدن، نورون‌ها تحریک‌پذیر هستند، به این معنی که نفوذپذیری غشاء آنها می‌تواند تغییر کند (زیرا غشاها کانال‌های یونی دارند که قادر به تغییر نفوذپذیری خود برای یک یون خاص هستند). به چنین پروتئین‌هایی کانال‌های یونی دروازه ای می‌گویند. آنها در پاسخ به تغییرات ولتاژ غشایی مجاور یا محرک‌های شیمیایی یا فیزیکی باز یا بسته می‌شوند. در مقابل، کانال‌های یونی که تنظیم نشده‌اند و از این رو همیشه به یون مربوطه اجازه عبور می‌دهند، به عنوان کانال‌های یونی غیرمتعارف شناخته می‌شوند.

lon pumps. Under normal conditions, Na⁺ and Cl^– concentrations are greater outside the cell, and K⁺ concentrations are greater inside the cell. You may be wondering why K⁺ ions don’t flow out of the neuron-down their concentration gradient-until the K⁺ ion concentrations inside and outside the cell are equal. We could ask the corresponding question for all other ions.

پمپ‌های یون. تحت شرایط عادی، غلظت‌های +Na و -Cl در خارج از سلول بیشتر است و غلظت‌های +K در داخل سلول بیشتر است. ممکن است برایتان سوال پیش بیاید که چرا یون‌های +K از نورون خارج نمی‌شوند و به سمت پایین شیب غلظتی‌شان نمی‌روند تا زمانی که غلظت‌های یون +K در درون و بیرون سلول برابر شود. ما می‌توانیم همین سوال را برای سایر یون‌ها نیز بپرسیم.

To combat this drive toward equilibrium, neurons use active transport proteins known as ion pumps. In particular, neurons use a Na⁺/K⁺ pump that pumps Na⁺ ions out of the cell and K⁺ ions into the cell (Figure 2.9, inset). Because this process moves ions up their con- centration gradients, the mechanism requires energy. Each pump is an enzyme that hydrolyzes adenosine tri- phosphate (ATP) for energy. For each molecule of ATP that is hydrolyzed, enough energy is produced to move three Na⁺ ions out of the cell and two K⁺ ions into the cell (Figure 2.10).

برای مبارزه با این حرکت به سمت تعادل، نورون‌ها از پروتئین‌های انتقال فعال به نام پمپ‌های یونی استفاده می‌کنند. به طور خاص، نورون‌ها از پمپ +Na+/K استفاده می‌کنند که یون‌های +Na را از سلول و یون‌های +K را به داخل سلول پمپ می‌کند (شکل ۲.۹، ورودی). از آنجایی که این فرآیند یون‌ها را به سمت شیب غلظت آنها حرکت می‌دهد، مکانیسم به انرژی نیاز دارد. هر پمپ آنزیمی‌است که آدنوزین تری فسفات (ATP) را برای انرژی هیدرولیز می‌کند. برای هر مولکول ATP که هیدرولیز می‌شود، انرژی کافی برای انتقال سه یون +Na به خارج از سلول و دو یون +K به داخل سلول تولید می‌شود (شکل ۲.۱۰).

The concentration gradients create forces due to the unequal distribution of ions. The force of the Na⁺ concentration gradient acts to push Na⁺ from an area of high concentration to one of low concentration (from outside to inside), while the K⁺ concentration gradient acts to push K⁺ also from an area of high concentration to an area of low concentration (from inside to out- side)—the very thing the pump is working against. With both positively and negatively charged ions inside and outside the cell, why is the voltage different inside versus outside the neuron?

شیب غلظت به دلیل توزیع نابرابر یون‌ها نیرو ایجاد می‌کند. نیروی گرادیان غلظت +Na برای هل دادن +Na از ناحیه‌ای با غلظت بالا به ناحیه‌ای با غلظت کم (از بیرون به داخل) عمل می‌کند، در حالی که گرادیان غلظت +K برای هل دادن +K نیز از ناحیه‌ای با غلظت بالا به ناحیه‌ای با غلظت کم (از داخل به خارج) عمل می‌کند – همان چیزی که پمپ در برابر آن کار می‌کند. با وجود یون‌های باردار مثبت و منفی در داخل و خارج سلول، چرا ولتاژ داخل سلول با خارج از نورون متفاوت است؟

The inside and outside voltages are different because the membrane is more permeable to K⁺ than to Na⁺. The force of the K⁺ concentration gradient pushes some K⁺ out of the cell, leaving the inside of the neuron slightly more negative than the outside. This difference creates another force, an electrical gradient, because each K⁺ ion carries one unit of positive charge out of the neuron as it moves across the membrane. These two gradients (electrical and ionic concentration) are in opposition to one another with respect to K⁺ (Figure 2.11).

ولتاژهای داخلی و خارجی متفاوت است زیرا غشا نسبت به +K نفوذپذیرتر از +Na است. نیروی گرادیان غلظت +K مقداری +K را به بیرون از سلول هل می‌دهد و داخل نورون را کمی‌منفی‌تر از بیرون می‌گذارد. این تفاوت نیروی دیگری ایجاد می‌کند، یک گرادیان الکتریکی، زیرا هر یون +K یک واحد بار مثبت را از نورون خارج می‌کند که در طول غشاء حرکت می‌کند. این دو شیب (غلظت الکتریکی و یونی) نسبت به +K در تقابل با یکدیگر هستند (شکل ۲.۱۱).

FIGURE 2.10 lon pumps transport ions across the membrane. The Na⁺/K⁺ pump preserves the cell’s resting potential by maintaining a larger concentration of K⁺ inside the cell and Na⁺ outside the cell. The pump uses ATP as energy.

شکل ۲.۱۰ پمپ‌های lon یون‌ها را در سراسر غشا انتقال می‌دهند. پمپ +Na+/K با حفظ غلظت بیشتری از +K در داخل سلول و +Na در خارج از سلول، پتانسیل استراحت سلول را حفظ می‌کند. پمپ از ATP به عنوان انرژی استفاده می‌کند.

FIGURE 2.11 Selective permeability of the membrane. The membrane’s selective permeability to some ions, and the concentration gradients formed by active pumping, lead to a difference in electrical potential across the membrane; this is the resting membrane potential. The membrane potential, represented here by the positive charges outside the neuron along the membrane and the negative charges inside along the membrane, is the basis for the transmembrane voltage difference shown in Figure 2.9.

شکل ۲.۱۱ نفوذپذیری انتخابی غشا. نفوذپذیری انتخابی غشاء به برخی یونها و شیب غلظتی که توسط پمپاژ فعال ایجاد می‌شود، منجر به اختلاف پتانسیل الکتریکی در سراسر غشا می‌شود. این پتانسیل غشای استراحت است. پتانسیل غشایی که در اینجا با بارهای مثبت بیرون نورون در امتداد غشا و بارهای منفی داخل در امتداد غشاء نشان داده می‌شود، مبنایی برای اختلاف ولتاژ گذرنده است که در شکل ۲.۹ نشان داده شده است.

As negative charge builds up along the inside of the membrane (and an equivalent positive charge forms along the extracellular side), the positively charged K⁺ ions out- side of the cell are drawn electrically back into the neuron through the same ion channels that are allowing K⁺ ions to leave the cell by diffusion. Eventually, the force of the concentration gradient pushing K⁺ out through the K⁺ channels is equal to the force of the electrical gradient driving K⁺ in. When that happens, the opposing forces are said to reach electrochemical equilibrium. The difference in charge thus produced across the membrane is the resting membrane potential, that -70 mV difference. The value for the resting membrane potential of any cell can be calculated by using knowledge from electrochemistry, provided that the concentrations of ions inside and out- side the neuron are known.

همانطور که بار منفی در امتداد داخل غشا ایجاد می‌شود (و یک بار مثبت معادل در امتداد سمت خارج سلولی تشکیل می‌شود)، یون‌های +K با بار مثبت در خارج از سلول، از طریق همان کانال‌های یونی که به یون‌های +K اجازه می‌دهد از سلول خارج شوند، به صورت الکتریکی به داخل نورون کشیده می‌شوند. در نهایت، نیروی گرادیان غلظت که +K را از طریق کانال‌های +K به بیرون هل می‌دهد، برابر با نیروی گرادیان الکتریکی است که+ K را وارد می‌کند. وقتی این اتفاق می‌افتد، گفته می‌شود نیروهای مخالف به تعادل الکتروشیمیایی می‌رسند. تفاوت بار تولید شده در سراسر غشاء پتانسیل غشاء در حال استراحت است، یعنی اختلاف -۷۰ میلی ولت. مقدار پتانسیل غشای در حال استراحت هر سلول را می‌توان با استفاده از دانش الکتروشیمی‌محاسبه کرد، مشروط بر اینکه غلظت یون‌ها در داخل و خارج نورون مشخص باشد.

THE ACTION POTENTIAL

پتانسیل عمل

We now understand the basis of the energy source that neurons can use for signaling. Next we want to learn how this energy can be used to transmit information within a neuron, from its dendrites, which receive inputs from other neurons, to its axon terminals, where it signals to the next neuron(s) in the chain. The process begins when synapses on a neuron’s dendrites receive a signal (e.g., a neurotransmitter binding to a receptor), resulting in the opening of ion channels in the dendrite, which causes ionic currents to flow. For excitatory synaptic inputs, excitatory postsynaptic potentials (EPSPs) occur in the dendrite, and ionic currents flow through the volume of the neuron’s cell body. If these currents happen to be strong enough to reach distant axon terminals, then the process of neuronal signaling is complete. In the vast majority of cases, however, the distance from dendrites to axon terminals is too great for the EPSP to have any effect. Why?

ما اکنون اساس منبع انرژی که نورون‌ها می‌توانند برای سیگنال دهی استفاده کنند را درک می‌کنیم. سپس می‌خواهیم بیاموزیم که چگونه می‌توان از این انرژی برای انتقال اطلاعات درون یک نورون استفاده کرد، از دندریت‌های آن، که ورودی‌های نورون‌های دیگر را دریافت می‌کنند، تا پایانه‌های آکسون آن، جایی که به نورون(های) بعدی در زنجیره سیگنال می‌دهد. این فرآیند زمانی آغاز می‌شود که سیناپس‌های روی دندریت‌های یک نورون سیگنالی را دریافت می‌کنند (مثلاً یک انتقال‌دهنده عصبی به گیرنده متصل می‌شود)، و در نتیجه کانال‌های یونی در دندریت باز می‌شود که باعث جریان‌های یونی می‌شود. برای ورودی‌های سیناپسی تحریکی، پتانسیل‌های پس سیناپسی تحریکی (EPSPs) در دندریت رخ می‌دهد و جریان‌های یونی از طریق حجم بدنه سلولی نورون جریان می‌یابد. اگر این جریان‌ها به اندازه کافی قوی باشند که به پایانه‌های آکسون‌های دوردست برسند، فرآیند سیگنال‌دهی عصبی کامل می‌شود. با این حال، در اکثریت قریب به اتفاق موارد، فاصله دندریت‌ها تا پایانه‌های آکسون برای EPSP زیاد است که نمی‌تواند تأثیری داشته باشد. چرا؟

The small electrical current produced by the EPSP is passively conducted through the cytoplasm of the dendrite, cell body, and axon. Passive current conduction is called electrotonic conduction or decremental conduction: “decremental” because it diminishes with distance from its origin the synapse on the dendrites, in this case. The maximum distance a passive current will flow in a neuron is only about 1 mm. In most neurons, a millimeter is too short to effectively conduct electrical signals, although sometimes, like in a structure such as the retina, a millimeter is sufficient to permit neuron-to-neuron communication via decremental conduction. Most of the time, however, the reduction in signal intensity with decremental conduction means that long-distance communication within a neuron from dendrite to axon terminal will fail (your toes would be in trouble, for example, because they are about 1 meter from the spinal cord and close to 2 meters from the brain). How does the neuron solve this problem of decremental conduction and the need to conduct signals over long distances?

جریان الکتریکی کوچک تولید شده توسط EPSP به طور غیر فعال از طریق سیتوپلاسم دندریت، جسم سلولی و آکسون هدایت می‌شود. هدایت جریان غیرفعال را هدایت الکتروتونیک یا رسانش کاهشی می‌نامند: “کاهشی” زیرا با فاصله از مبدا خود سیناپس روی دندریت‌ها را کاهش می‌دهد، در این مورد. حداکثر فاصله ای که یک جریان غیرفعال در یک نورون جریان می‌یابد تنها حدود ۱ میلی متر است. در اکثر نورون‌ها، یک میلی‌متر برای هدایت مؤثر سیگنال‌های الکتریکی بسیار کوتاه است، اگرچه گاهی اوقات، مانند ساختاری مانند شبکیه، یک میلی‌متر برای برقراری ارتباط بین نورون به نورون از طریق رسانش کاهشی کافی است. با این حال، در بیشتر مواقع، کاهش شدت سیگنال با هدایت کاهشی به این معنی است که ارتباط از راه دور در یک نورون از دندریت تا پایانه آکسون با شکست مواجه می‌شود (مثلاً انگشتان پا دچار مشکل می‌شوند، زیرا حدود ۱ متر از نخاع و نزدیک به ۲ متر از مغز فاصله دارند). نورون چگونه این مشکل هدایت کاهشی و نیاز به هدایت سیگنال‌ها در فواصل طولانی را حل می‌کند؟

Neurons evolved a clever mechanism to regenerate and pass along the signal received at synapses on the dendrite: the action potential. It works something like 19th-century firefighters in a bucket brigade. An action potential is a rapid depolarization and repolarization of a small region of the membrane on the neuron’s output via its axon caused by the opening and closing of ion channels.

نورون‌ها مکانیزم هوشمندانه‌ای را برای بازسازی و انتقال سیگنال دریافتی در سیناپس‌های روی دندریت ایجاد کردند: پتانسیل عمل. چیزی شبیه به آتش نشان‌های قرن نوزدهمی‌در یک تیپ سطلی کار می‌کند. پتانسیل عمل دپلاریزاسیون و رپولاریزاسیون سریع ناحیه کوچکی از غشاء روی خروجی نورون از طریق آکسون آن است که در اثر باز و بسته شدن کانال‌های یونی ایجاد می‌شود.

An action potential is a different process from the EPSP and the ionic currents involved in decremental conduction. The action potential doesn’t decrement after only 1 mm. Action potentials enable signals to travel for meters with no loss in signal strength, because they continually regenerate the signal at each patch of membrane on the axon. This is one reason why giraffes and blue whales can have neurons whose axon terminals may be many meters from their dendrites.

پتانسیل عمل فرآیندی متفاوت از EPSP و جریان‌های یونی درگیر در هدایت کاهشی است. پتانسیل عمل تنها پس از ۱ میلی متر کاهش نمی‌یابد. پتانسیل‌های عمل سیگنال‌ها را قادر می‌سازد تا مترها بدون افت قدرت سیگنال حرکت کنند، زیرا آنها به طور مداوم سیگنال را در هر قسمت از غشاء روی آکسون بازسازی می‌کنند. این یکی از دلایلی است که چرا زرافه‌ها و نهنگ‌های آبی می‌توانند نورون‌هایی داشته باشند که پایانه‌های آکسون آن‌ها ممکن است چندین متر از دندریت‌هایشان فاصله داشته باشد.

The action potential is able to regenerate itself because of the presence of voltage-gated ion channels located in the neuronal membrane (Figure 2.12a, inset). The densest concentration of ion channels is found at the spike-triggering zone in the axon hillock, a specialized region of the neuronal soma where the axon emerges. As its name denotes, the spike-triggering zone initiates the action potential. (The term spike is shorthand for an action potential because it represents a rapid change and a peak in the depolarization of the membrane potential, and it actually looks like a spike when viewed as a recording displayed on an oscilloscope or computer screen.) Ion channels are also found along the axon. In myelinated axons, voltage-gated ion channels along the axon’s length are restricted to the nodes of Ranvier. Named after the French histologist and anatomist Louis- Antoine Ranvier, who first described them, they are regular intervals along the axon where gaps in myelination occur (Figure 2.12a).

پتانسیل عمل به دلیل وجود کانال‌های یونی دارای ولتاژ در غشای نورونی می‌تواند خود را بازسازی کند (شکل ۲.12a، ورودی). متراکم ترین غلظت کانال‌های یونی در ناحیه تحریک سنبله در تپه آکسون، یک ناحیه تخصصی از سومای عصبی که در آن آکسون ظاهر می‌شود، یافت می‌شود. همانطور که از نام آن مشخص است، منطقه تحریک کننده سنبله، پتانسیل عمل را آغاز می‌کند. (اصطلاح اسپایک مخفف پتانسیل عمل است زیرا نشان دهنده یک تغییر سریع و یک اوج در دپلاریزاسیون پتانسیل غشاء است و در واقع وقتی به عنوان ضبط نمایش داده شده بر روی یک اسیلوسکوپ یا صفحه کامپیوتر مشاهده می‌شود مانند یک سنبله به نظر می‌رسد.) کانال‌های یونی نیز در امتداد آکسون یافت می‌شوند. در آکسون‌های میلین دار، کانال‌های یونی دارای ولتاژ در امتداد طول آکسون به گره‌های Ranvier محدود می‌شوند. به نام بافت شناس و آناتومیست فرانسوی لویی آنتوان رانویر، که اولین بار آنها را توصیف کرد، آنها فواصل منظمی‌در امتداد آکسون هستند که در آن شکاف‌هایی در میلیناسیون ایجاد می‌شود (شکل ۲.12a).

FIGURE 2.12 The neuronal action potential, voltage-gated ion channels, and changes in channel conductance.
(a) An idealized neuron with myelinated axon and axon terminals. Voltage-gated ion channels located in the spike-triggering zone at the axon hillock and along the extent of the axon at the nodes of Ranvier open and close rapidly, changing their conductance to specific ions (e.g., Na⁺), altering the membrane potential and resulting in the action potential (inset). (b) The relative time course of changes in membrane voltage during an action potential, and the underlying causative changes in membrane conductance to Na⁺ (gNa) and K⁺ (gk). The initial depolarizing phase of the action potential (red line) is mediated by increased Na* conductance (black line), and the later repolarizing, descending phase of the action potential is mediated by an increase in K⁺ conductance (dashed line) that occurs when the K⁺ channels open. The Na⁺ channels have closed during the last part of the action potential, when repolarization by the K⁺ current is taking place. The action potential undershoots the resting membrane potential at the point where the membrane becomes more negative than the resting membrane potential.

شکل ۲.۱۲ پتانسیل عمل عصبی، کانال‌های یونی وابسته به ولتاژ، و تغییرات در هدایت کانال.

(الف) یک نورون ایده‌آل با آکسون میلینه و پایانه‌های آکسونی. کانال‌های یونی وابسته به ولتاژ که در ناحیه تحریک پیک در تپه آکسون و در طول آکسون در گره‌های رانویه قرار دارند، به سرعت باز و بسته می‌شوند و هدایت خود را به یون‌های خاص (مثلاً Na+) تغییر می‌دهند، پتانسیل غشایی را تغییر داده و منجر به پتانسیل عمل می‌شوند (تصویر کوچک).

(ب) روند زمانی نسبی تغییرات در ولتاژ غشایی در طول یک پتانسیل عمل و تغییرات علتی زیرساختی در هدایت غشایی به Na+ (gNa) و K+ (gk). فاز اولیه دپولاریزه کننده پتانسیل عمل (خط قرمز) توسط افزایش هدایت +Na (خط سیاه) مدیریت می‌شود و فاز بعدی بازپولاریزه و نزولی پتانسیل عمل توسط افزایش هدایت +K (خط چین) که زمانی که کانال‌های +K باز می‌شوند، رخ می‌دهد، مدیریت می‌شود. کانال‌های +Na در قسمت آخر پتانسیل عمل بسته شده‌اند، زمانی که بازپولاریزاسیون توسط جریان +K در حال وقوع است. پتانسیل عمل از پتانسیل غشایی استراحت در نقطه‌ای که غشاء منفی‌تر از پتانسیل غشایی استراحت می‌شود، عبور می‌کند.

How does the spike-triggering zone initiate an action potential? The passive electrical currents that are generated following EPSPs on multiple distant dendrites sum together at the axon hillock. This current flows across the neuronal membrane in the spike-triggering zone, depolarizing the membrane. If the depolarization is strong enough, meaning that the membrane moves from its resting potential of about -70 mV to a less negative value of approximately -55 mV, then an action potential is triggered. We refer to this depolarized membrane potential value as the threshold for initiating an action potential. Figure 2.12b illustrates an idealized action potential. The numbered circles in the figure correspond to the numbered events in the next paragraph. Each event alters a small region of the membrane’s permeability for Na⁺ and K⁺ as a result of the opening and closing of voltage-gated ion channels.

چگونه منطقه محرک سنبله یک پتانسیل عمل را آغاز می‌کند؟ جریان‌های الکتریکی غیرفعال که به دنبال EPSP‌ها روی دندریت‌های چندگانه دور ایجاد می‌شوند در تپه آکسون جمع می‌شوند. این جریان در سراسر غشای عصبی در منطقه ایجاد سنبله جریان می‌یابد و غشا را دپلاریزه می‌کند. اگر دپلاریزاسیون به اندازه کافی قوی باشد، به این معنی که غشاء از پتانسیل استراحت خود در حدود ۷۰ میلی ولت به یک مقدار منفی کمتر تقریباً ۵۵- میلی ولت حرکت می‌کند، آنگاه پتانسیل عمل ایجاد می‌شود. ما به این مقدار پتانسیل غشای دپلاریزه شده به عنوان آستانه برای شروع یک پتانسیل عمل اشاره می‌کنیم. شکل ۲.12b یک پتانسیل عمل ایده آل را نشان می‌دهد. دایره‌های شماره گذاری شده در شکل با رویدادهای شماره گذاری شده در پاراگراف بعدی مطابقت دارد. هر رویداد ناحیه کوچکی از نفوذپذیری غشا را برای +Na و +K در نتیجه باز و بسته شدن کانال‌های یونی دارای ولتاژ تغییر می‌دهد.

When the threshold (Figure 2.12b, event 1) is reached, voltage-gated Na⁺ channels open and Na⁺ flows rapidly into the neuron. This influx of positive ions further depolarizes the neuron, opening additional voltage-gated Na⁺ channels; thus, the neuron becomes more depolarized (2), continuing the cycle by causing even more Na⁺ channels to open. This process is called the Hodgkin- Huxley cycle. This rapid, self-reinforcing cycle, lasting only about 1 ms, generates the large depolarization that is the first portion of the action potential. Next, the voltage-gated K⁺ channels open, allowing K⁺ to flow out of the neuron down its concentration gradient. This outward flow of positive ions begins to shift the mem- brane potential back toward its resting potential (3). The opening of the K⁺ channels outlasts the closing of the Na⁺ channels, causing a second repolarizing phase of the action potential; this repolarization drives the membrane potential toward the equilibrium potential of K⁺, which is even more negative than the resting potential. The equilibrium potential is the membrane potential at which there is no net flux of a given ion. As a result, the membrane is temporarily hyperpolarized: At about -80 mV, the membrane potential is more negative than both the resting membrane potential and the threshold required for triggering an action potential (4). Hyperpolarization causes the K⁺ channels to close, in response to which the membrane potential gradually returns to its resting state (5).

وقتی به آستانه (شکل ۲.12b، رویداد ۱) رسید، کانال‌های +Na دارای ولتاژ باز می‌شوند و +Na به سرعت به داخل نورون جریان می‌یابد. این هجوم یون‌های مثبت نورون را بیشتر دپلاریزه می‌کند و کانال‌های +Na دردار ولتاژی را باز می‌کند. بنابراین، نورون دپلاریزه‌تر می‌شود (۲) و چرخه را با باز شدن کانال‌های +Na ادامه می‌دهد. این فرآیند چرخه هوچکین-‌هاکسلی نامیده می‌شود. این چرخه سریع و خودتقویت‌کننده، که تنها حدود ۱ میلی‌ثانیه طول می‌کشد، دپلاریزاسیون بزرگی را ایجاد می‌کند که اولین بخش از پتانسیل عمل است. در مرحله بعد، کانال‌های +K دارای ولتاژ باز می‌شوند و به +K اجازه می‌دهند تا از نورون به سمت پایین گرادیان غلظت آن خارج شود. این جریان بیرونی یون‌های مثبت شروع به جابجایی پتانسیل غشاء به سمت پتانسیل استراحت خود می‌کند (۳). باز شدن کانال‌های +K بیشتر از بسته شدن کانال‌های +Na دوام می‌آورد و باعث ایجاد فاز دوم رپلاریزاسیون پتانسیل عمل می‌شود. این رپلاریزاسیون پتانسیل غشا را به سمت پتانسیل تعادل +K هدایت می‌کند که حتی منفی تر از پتانسیل استراحت است. پتانسیل تعادل پتانسیل غشایی است که در آن شار خالص یک یون مشخص وجود ندارد. در نتیجه، غشاء به طور موقت هیپرپلاریزه می‌شود: در حدود ۸۰- میلی ولت، پتانسیل غشاء منفی تر از پتانسیل غشاء در حال استراحت و آستانه مورد نیاز برای راه اندازی پتانسیل عمل است (۴).‌هایپرپلاریزاسیون باعث بسته شدن کانال‌های +K می‌شود که در پاسخ به آن پتانسیل غشا به تدریج به حالت استراحت خود باز می‌گردد (۵).

During this transient hyperpolarization state, the voltage-gated Na⁺ channels are unable to open, and no other action potential can be generated. This is known as the absolute refractory period. It is followed by the relative refractory period, during which the neuron can generate action potentials, but only with larger-than- normal depolarizing currents. The entire refractory period lasts only a couple of milliseconds and has two consequences. One is that the neuron’s speed for generating action potentials is limited to about 200 action potentials per second. The other is that the passive current that flows from the action potential cannot reopen the ion-gated channels that generated it. The passive current, however, does flow down the axon with enough strength to depolarize the membrane a bit farther on, where the ion channels are not in a refractory state, opening voltage-gated channels in this next portion of the membrane. The result is that the action potential moves down the axon in one direction only-from the axon hillock toward the axon terminal.

در طول این حالت‌هایپرپلاریزاسیون گذرا، کانال‌های +Na دارای دروازه ولتاژ قادر به باز شدن نیستند و هیچ پتانسیل عمل دیگری تولید نمی‌شود. این دوره به دوره نسوز مطلق معروف است. به دنبال آن دوره نسبی نسبی ایجاد می‌شود، که در طی آن نورون می‌تواند پتانسیل‌های عمل ایجاد کند، اما فقط با جریان‌های دپلاریزاسیون بزرگتر از حد طبیعی. کل دوره نسوز فقط چند میلی ثانیه طول می‌کشد و دو پیامد دارد. یکی اینکه سرعت نورون برای تولید پتانسیل عمل به حدود ۲۰۰ پتانسیل عمل در ثانیه محدود شده است. مورد دیگر این است که جریان غیرفعالی که از پتانسیل عمل جاری می‌شود، نمی‌تواند کانال‌های دریچه یونی که آن را ایجاد کرده‌اند، دوباره باز کند. با این حال، جریان غیرفعال با قدرت کافی به سمت پایین آکسون جریان می‌یابد که غشا را کمی‌دورتر دپلاریزه می‌کند، جایی که کانال‌های یونی در حالت نسوز نیستند و کانال‌های دریچه ولتاژ را در بخش بعدی غشا باز می‌کنند. نتیجه این است که پتانسیل عمل فقط در یک جهت به سمت پایین آکسون حرکت می‌کند – از تپه آکسون به سمت پایانه آکسون.

That is the story of the self-regenerating action potential as it propagates itself down an axon, sometimes traveling several meters in the process. But traveling far is not the end of the story. Action potentials must also travel quickly if a person wants to run, or a bull wants to charge, or a very large animal (think blue whale) simply wants to react in a reasonable amount of time. Accelerated transmission of the action potential is accomplished in myelinated axons. The thick lipid sheath of myelin (Figure 2.12a) surrounding the membrane of myelinated axons makes the axon super-resistant to voltage loss. The high electrical resistance allows passive currents generated by the action potential to be shunted farther down the axon. The result is that action potentials do not have to be generated as often, and they can be spread out along the axon at wider intervals.

این داستان پتانسیل عمل خودبازسازی است که خود را در یک آکسون منتشر می‌کند و گاهی چندین متر را طی می‌کند. اما سفر دور پایان ماجرا نیست. همچنین اگر شخصی بخواهد بدود، یا گاو نر بخواهد شارژ کند، یا حیوان بسیار بزرگ (فکر کنید نهنگ آبی) به سادگی می‌خواهد در مدت زمان معقولی واکنش نشان دهد، پتانسیل‌های عمل باید به سرعت حرکت کنند. انتقال سریع پتانسیل عمل در آکسون‌های میلین دار انجام می‌شود. غلاف چربی ضخیم میلین (شکل ۲.12a) که غشای آکسون‌های میلین دار را احاطه کرده است، آکسون را در برابر افت ولتاژ بسیار مقاوم می‌کند. مقاومت الکتریکی بالا باعث می‌شود جریان‌های غیرفعال تولید شده توسط پتانسیل عمل به سمت پایین‌تر آکسون منتقل شوند. نتیجه این است که لازم نیست پتانسیل‌های عمل به دفعات تولید شوند و می‌توانند در فواصل زمانی وسیع‌تری در امتداد آکسون پخش شوند.

Indeed, action potentials in myelinated axons need occur only at the nodes of Ranvier, where myelination is interrupted. As a result, the action potential appears to jump down the axon at great speed, from one node of Ranvier to the next. We call this saltatory conduction (the term is derived from the Latin word saltare, meaning “to jump or leap”). The importance of myelin for efficient neuronal conduction is notable when it is damaged or lost, which is what happens in multiple sclerosis (MS).

در واقع، پتانسیل‌های عمل در آکسون‌های میلین دار تنها در گره‌های رانویر، جایی که میلیناسیون قطع می‌شود، رخ می‌دهد. در نتیجه، به نظر می‌رسد که پتانسیل عمل با سرعت زیادی از یک گره Ranvier به گره بعدی از آکسون به پایین می‌پرد. ما این را رسانایی نمکی می‌نامیم (این اصطلاح از کلمه لاتین saltare به معنای “پریدن یا پریدن” گرفته شده است). اهمیت میلین برای هدایت نورونی کارآمد زمانی که آسیب ببیند یا از بین برود قابل توجه است، چیزی که در مولتیپل اسکلروزیس (MS) اتفاق می‌افتد.

There is one more interesting tidbit concerning action potentials: Because they always have the same amplitude, they are said to be all-or-none phenomena. Since one action potential has the same amplitude as any other, the strength of the action potential does not communicate anything about the strength of the stimulus that initiated it. The intensity of a stimulus (e.g., a sensory signal) is communicated by the rate of firing of the action potentials: More intense stimuli elicit higher action-potential firing rates.

نکته جالب دیگری در مورد پتانسیل‌های کنش وجود دارد: از آنجایی که آنها همیشه دامنه یکسانی دارند، گفته می‌شود که آنها پدیده‌های همه یا هیچ هستند. از آنجایی که یک پتانسیل عمل دارای دامنه یکسانی با هر پتانسیل دیگر است، قدرت پتانسیل عمل چیزی در مورد قدرت محرکی که آن را آغاز کرده است، بیان نمی‌کند. شدت یک محرک (به عنوان مثال، یک سیگنال حسی) با سرعت شلیک پتانسیل‌های عمل ارتباط برقرار می‌کند: محرک‌های شدیدتر نرخ شلیک بالقوه عمل بالاتری را ایجاد می‌کنند.

NEURAL OSCILLATIONS

نوسانات عصبی

So far, we have presented an idealized situation: A neuron is sitting in a resting state, awaiting inputs that might cause it to experience EPSPs and action potentials at the axon hillock that move down the axon to transmit signals. But most neurons actually fire at a continuous baseline rate. This rate is different in different types of neurons, and it can be the result of either intrinsic properties of the neuron itself or activity in small neural circuits or larger neural networks. These neuronal oscillations are important for understanding some of the signals we can receive from electrodes placed in an intact brain or on the surface of the scalp. Because postsynaptic potentials like EPSPs can be recorded from populations of neurons, they are another measure of neuronal activity in addition to recordings of action potentials. In Chapter 3 we describe how these postsynaptic potentials, and not the action potentials, are the sources of electrical signals that can be recorded from the cortical surface or scalp in humans and animals using electroencephalography.

تا کنون، ما یک وضعیت ایده‌آل ارائه کرده‌ایم: یک نورون در حالت استراحت نشسته است و منتظر ورودی‌هایی است که ممکن است باعث شود EPSP و پتانسیل‌های عمل در تپه آکسون را تجربه کند که برای ارسال سیگنال‌ها به سمت پایین آکسون حرکت می‌کند. اما اکثر نورون‌ها در واقع با یک نرخ پایه پیوسته شلیک می‌کنند. این سرعت در انواع مختلف نورون‌ها متفاوت است و می‌تواند نتیجه ویژگی‌های ذاتی خود نورون یا فعالیت در مدارهای عصبی کوچک یا شبکه‌های عصبی بزرگ‌تر باشد. این نوسانات عصبی برای درک برخی از سیگنال‌هایی که می‌توانیم از الکترودهایی که در مغز دست نخورده یا روی سطح پوست سر قرار می‌گیرند دریافت کنیم، مهم هستند. از آنجایی که پتانسیل‌های پس سیناپسی مانند EPSP‌ها را می‌توان از جمعیت نورون‌ها ثبت کرد، آنها علاوه بر ثبت پتانسیل‌های عمل، معیار دیگری از فعالیت عصبی هستند. در فصل ۳ توضیح می‌دهیم که چگونه این پتانسیل‌های پس سیناپسی، و نه پتانسیل‌های عمل، منابع سیگنال‌های الکتریکی هستند که می‌توانند با استفاده از الکتروانسفالوگرافی از سطح قشر یا پوست سر در انسان و حیوانات ثبت شوند.

TAKE-HOME MESSAGES

پیام‌های اصلی

▪️Glial cells form myelin around the axons of neurons. Myelin enables the rapid transmission of action potentials down an axon and increases the distance over which transmission can occur.

▪️سلول‌های گلیال میلین را در اطراف آکسون‌های نورون‌ها تشکیل می‌دهند. میلین انتقال سریع پتانسیل‌های عمل به پایین آکسون را امکان پذیر می‌کند و فاصله ای را که انتقال می‌تواند در آن رخ دهد را افزایش می‌دهد.

▪️ Neurons communicate with other neurons and cells at specialized structures called synapses, where chemical and electrical signals can be conveyed between neurons.

▪️ نورون‌ها با سایر نورون‌ها و سلول‌ها در ساختارهای تخصصی به نام سیناپس‌ها ارتباط برقرار می‌کنند، جایی که سیگنال‌های شیمیایی و الکتریکی می‌توانند بین نورون‌ها منتقل شوند.

▪️The electrical gradient across a neuron’s membrane results from the asymmetrical distribution of ions. The electrical difference across the membrane is the basis of the resting potential, the voltage difference across the neuronal membrane during rest (i.e., not during any phase of the action potential).

▪️ گرادیان الکتریکی در غشای نورون ناشی از توزیع نامتقارن یون‌ها است. تفاوت الکتریکی در سراسر غشاء اساس پتانسیل استراحت است، تفاوت ولتاژ در سراسر غشای عصبی در هنگام استراحت (یعنی نه در هیچ مرحله‌ای از پتانسیل عمل).

▪️lon channels, formed by transmembrane proteins, can be either passive (always open) or gated (open only in the presence of electrical, chemical, or physical stimuli).

▪️کانال‌های یونی، که توسط پروتئین‌های تراغشایی تشکیل می‌شوند، می‌توانند یا غیرفعال (همیشه باز) یا دارای دروازه (تنها در حضور محرک‌های الکتریکی، شیمیایی یا فیزیکی باز) باشند.

▪️ Synaptic inputs result in postsynaptic potentials, and current to flow in the postsynaptic neuron.

▪️ ورودی‌های سیناپسی منجر به پتانسیل‌های پس سیناپسی و جریان در نورون پس سیناپسی می‌شود.

▪️ Postsynaptic currents can depolarize the axon hillock region, generating an action potential.

▪️جریان‌های پس سیناپسی می‌توانند ناحیه تپه آکسون را دپولاریزه کرده و پتانسیل عمل ایجاد کنند.

▪️ Action potentials are all-or-none phenomena: The amplitude of the action potential does not depend on the size of the triggering depolarization, as long as that depolarization reaches the threshold for initiating the action potential.

▪️پتانسیل‌های عمل پدیده‌های همه یا هیچ هستند: دامنه پتانسیل عمل به اندازه دپلاریزاسیون آغازگر بستگی ندارد، تا زمانی که این دپلاریزاسیون به آستانه شروع پتانسیل عمل برسد.

▪️ Nodes of Ranvier are the spaces between sheaths of myelin where voltage-gated Na⁺ and K⁺ channels are located and action potentials occur.

▪️ گره‌های رانویه فضاهای بین غلاف‌های میلین هستند که کانال‌های +Na و +K دارای ولتاژ در آن قرار دارند و پتانسیل‌های عمل رخ می‌دهد.

▪️ Postsynaptic potentials lead to action potentials but also can be measured from large populations of neurons by electrodes located some distance away, such as the scalp, as when the oscillatory signals in an electroencephalogram (EEG) are being recorded.

▪️پتانسیل‌های پس سیناپسی منجر به پتانسیل‌های عمل می‌شود، اما همچنین می‌توان از جمعیت‌های بزرگ نورون‌ها توسط الکترودهایی که در فاصله ای دورتر قرار دارند، مانند پوست سر، اندازه گیری کرد، مانند زمانی که سیگنال‌های نوسانی در نوار مغزی (EEG) ثبت می‌شود.