مبانی علوم اعصاب اریک کندل؛ سلول های عصبی، مدار عصبی و رفتار؛ بیشترین تفاوت سلول‌های عصبی در سطح مولکولی

Signaling Is Organized in the Same Way in All Nerve Cells

سیگنال دهی در تمام سلول‌های عصبی به یک شکل سازماندهی می‌شود

To produce a behavior, a stretch reflex for example, each participating sensory and motor nerve cell must generate four different signals in sequence, each at a different site within the cell. Despite variations in cell size and shape, transmitter biochemistry, or behavioral function, almost all neurons can be described by a model neuron that has four functional components that generate the four types of signals: a receptive component for producing graded input signals, a summing or integrative component that produces a trigger signal, a conducting long-range signaling component that produces all-or-none conducting signals, and a synaptic component that produces out- put signals to the next neuron in line or to muscle or gland cells (Figure 3-8).

برای تولید یک رفتار، به عنوان مثال، یک رفلکس کششی، هر سلول عصبی حسی و حرکتی شرکت کننده باید چهار سیگنال مختلف را به ترتیب ایجاد کند، هر کدام در یک مکان متفاوت در سلول. علیرغم تغییرات در اندازه و شکل سلول، بیوشیمی‌فرستنده یا عملکرد رفتاری، تقریباً همه نورون‌ها را می‌توان با یک نورون مدل توصیف کرد که دارای چهار جزء عملکردی است که چهار نوع سیگنال را تولید می‌کند: یک جزء گیرنده برای تولید سیگنال‌های ورودی درجه‌بندی‌شده، یک جمع‌کننده یا مولفه یکپارچه که یک سیگنال ماشه تولید می‌کند، یک جزء سیگنالینگ برد بلند رسانا که سیگنال‌های رسانای همه یا هیچ تولید می‌کند، و یک جزء سیناپسی که سیگنال‌های خروجی را به نورون بعدی در خط یا به سلول‌های عضلانی یا غده تولید می‌کند (شکل ۳-۸).

The different types of signals generated in a neuron are determined in part by the electrical properties of the cell membrane. Every cell, including a neuron, maintains a certain difference in the electrical potential on either side of the plasma membrane when the cell is at rest. This is called the resting membrane potential. In a typical resting neuron, the voltage of the inside of the cell is about 65 mV more negative than the voltage outside the cell. Because the voltage outside the mem- brane is defined as zero, we say the resting membrane potential is -65 mV. The resting potential in different nerve cells ranges from -40 to -80 mV; in muscle cells, it is greater still, about -90 mV. As described in detail in Chapter 9, the resting membrane potential results from two factors: the unequal distribution of electrically charged ions, in particular the positively charged Na+ and K+ ions, and the selective permeability of the membrane.

انواع مختلف سیگنال‌های تولید شده در یک نورون تا حدی توسط خواص الکتریکی غشای سلول تعیین می‌شود. هر سلول، از جمله یک نورون، زمانی که سلول در حالت استراحت است، تفاوت خاصی در پتانسیل الکتریکی در دو طرف غشای پلاسمایی حفظ می‌کند. این پتانسیل غشای استراحت نامیده می‌شود. در یک نورون معمولی در حال استراحت، ولتاژ داخل سلول حدود ۶۵ میلی ولت منفی تر از ولتاژ بیرون سلول است. از آنجایی که ولتاژ خارج از غشاء صفر تعریف می‌شود، می‌گوییم پتانسیل غشاء در حال استراحت ۶۵- میلی ولت است. پتانسیل استراحت در سلول‌های عصبی مختلف از ۴۰- تا ۸۰- میلی ولت متغیر است. در سلول‌های عضلانی، هنوز بیشتر است، حدود -۹۰ میلی ولت. همانطور که در فصل ۹ به تفصیل توضیح داده شد، پتانسیل غشاء در حال استراحت ناشی از دو عامل است: توزیع نابرابر یون‌های باردار الکتریکی، به ویژه یون‌های +Na و +K با بار مثبت، و نفوذپذیری انتخابی غشاء.

Figure 3-8 Most neurons have four functional regions in which different types of signals are generated. Thus, the functional organization of most neurons, regardless of type, can be represented schematically by a model neuron. This model neuron is the physiological expression of Ramón y Cajal’s principle of dynamic polarization. The input, integrative, and conductive signals are all electrical and integral to the cell, whereas the output signal is a chemical substance ejected by the cell into the synaptic cleft. Not all neurons share all of these features; for example, some local interneurons lack a conductive component.

شکل ۳-۸ اکثر نورون‌ها دارای چهار ناحیه عملکردی هستند که در آنها انواع مختلفی از سیگنال‌ها تولید می‌شود. بنابراین، سازماندهی عملکردی اکثر نورون‌ها، صرف نظر از نوع، می‌تواند به صورت شماتیک توسط یک نورون مدل نمایش داده شود. این نورون مدل بیان فیزیولوژیکی اصل قطبش دینامیکی رامون و کاخال است. سیگنال‌های ورودی، یکپارچه و رسانا همگی الکتریکی و یکپارچه به سلول هستند، در حالی که سیگنال خروجی یک ماده شیمیایی است که توسط سلول به داخل شکاف سیناپسی پرتاب می‌شود. همه نورون‌ها همه این ویژگی‌ها را به اشتراک نمی‌گذارند. به عنوان مثال، برخی از نورون‌های داخلی فاقد یک جزء رسانا هستند.

The unequal distribution of positively charged ions on either side of the cell membrane is maintained by two main mechanisms. Intracellular Na+ and K+ concentrations are largely controlled by a membrane protein that actively pumps Na+ out of the cell and K+ back into it. This Na-K pump, about which we shall learn more in Chapter 9, keeps the Na+ concentration in the cell low (about one-tenth the concentration out-side the cell) and the K+ concentration high (about 20 times the concentration outside). The extracellular concentrations of Na+ and K+ are maintained by the kidneys and the astroglial cells, also known as astrocytes.

توزیع نابرابر یون‌های دارای بار مثبت در دو طرف غشای سلولی توسط دو مکانیسم اصلی حفظ می‌شود. غلظت Na و +K داخل سلولی عمدتاً توسط یک پروتئین غشایی کنترل می‌شود که بطور فعال +Na را از سلول و +K را به داخل آن پمپ می‌کند. این پمپ Na-K که در فصل ۹ درباره آن بیشتر خواهیم آموخت، غلظت +Na را در سلول پایین نگه می‌دارد (حدود یک دهم غلظت خارج از سلول) و غلظت +K را بالا (حدود ۲۰ برابر غلظت) نگه می‌دارد. بیرون). غلظت‌های خارج سلولی +Na و +K توسط کلیه‌ها و سلول‌های آستروگلیال که به نام آستروسیت نیز شناخته می‌شوند، حفظ می‌شود.

The otherwise impermeable cell membrane contains proteins that form pores called ion channels. The channels that are active when the cell is at rest are highly permeable to K+ but considerably less permeable to Na+. The K+ ions tend to leak out of these open channels, down the ion’s concentration gradient. As K+ ions exit the cell, they leave behind a cloud of unneutralized negative charge on the inner surface of the membrane, so that the net charge inside the membrane is more negative than that outside. With this state of affairs, the membrane potential is typically maintained at around -65 mV relative to outside of the neuron, and the neuron is said to be at rest.

غشای سلولی غیر قابل نفوذ حاوی پروتئین‌هایی است که منافذی به نام کانال‌های یونی را تشکیل می‌دهند. کانال‌هایی که در زمان استراحت سلول فعال هستند نسبت به +K نفوذپذیری بالایی دارند اما به میزان قابل توجهی نسبت به Na نفوذپذیری کمتری دارند. یون‌های +K تمایل دارند از این کانال‌های باز نشت کنند و در شیب غلظت یون پایین بیایند. هنگامی‌که یون‌های +K از سلول خارج می‌شوند، ابری از بار منفی خنثی نشده را در سطح داخلی غشاء بر جای می‌گذارند، به طوری که بار خالص درون غشا منفی تر از بار خارجی است. با این وضعیت، پتانسیل غشاء معمولاً در حدود -۶۵ میلی ولت نسبت به خارج از نورون حفظ می‌شود و گفته می‌شود که نورون در حالت استراحت است.

The resting state is perturbed when the cell begins to take up Na (or Ca2+), which are at a higher concentration outside the cell. The inward movement of these positively charged ions (inward current) partially neutralizes the negative voltage inside the cell. We will say more about these events below. What happens next, however, holds the key to understanding what it is about neurons that makes signaling suitable for conveying information.

هنگامی‌که سلول شروع به جذب Na (یا +Ca2) می‌کند، حالت استراحت مختل می‌شود که در خارج از سلول غلظت بیشتری دارند. حرکت این یون‌های دارای بار مثبت به داخل (جریان به داخل) تا حدی ولتاژ منفی داخل سلول را خنثی می‌کند. در ادامه در مورد این رویدادها بیشتر خواهیم گفت. با این حال، آنچه بعد اتفاق می‌افتد، کلید درک این موضوع است که نورون‌ها چیست که سیگنال‌ها را برای انتقال اطلاعات مناسب می‌کند.

A cell, such as nerve and muscle, is said to be excitable when its membrane potential can be quickly and significantly altered. In many neurons, a 10-mV change in membrane potential (from -65 to -55 mV) makes the membrane much more permeable to Na+ than to K. The resultant influx of Na+ further neutralizes the negative charge inside the cell, leading to even more permeability to Na+. The result is a brief and explosive change in membrane potential to +40 mV, the action potential. This potential is actively conducted down the cell’s axon to the axon’s terminal, where it initiates an elaborate chemical interaction with postsynaptic neurons or muscle cells. Since the action potential is actively propagated, its amplitude does not diminish by the time it reaches the axon terminal. An action potential typically lasts approximately 1 ms, after which the membrane returns to its resting state, with its normal separation of charges and higher permeability to K than to Na+.

گفته می‌شود سلولی مانند عصب و ماهیچه زمانی تحریک پذیر است که پتانسیل غشایی آن به سرعت و به طور قابل توجهی تغییر کند. در بسیاری از نورون‌ها، تغییر ۱۰ میلی ولتی در پتانسیل غشاء (از ۶۵- به ۵۵- میلی ولت) باعث می‌شود که غشا نسبت به +Na نفوذپذیری بیشتری نسبت به پتاسیم داشته باشد. هجوم حاصل از +Na بار منفی را در داخل سلول خنثی می‌کند و منجر می‌شود. حتی نفوذپذیری بیشتری نسبت به +Na دارد. نتیجه یک تغییر مختصر و انفجاری در پتانسیل غشاء به +۴۰ میلی ولت، پتانسیل عمل است. این پتانسیل به طور فعال از آکسون سلول به سمت پایانه آکسون هدایت می‌شود، جایی که یک تعامل شیمیایی دقیق با سلول‌های عصبی پس سیناپسی یا سلول‌های عضلانی را آغاز می‌کند. از آنجایی که پتانسیل عمل به طور فعال منتشر می‌شود، دامنه آن تا زمانی که به پایانه آکسون می‌رسد کاهش نمی‌یابد. یک پتانسیل عمل معمولاً تقریباً ۱ میلی‌ثانیه طول می‌کشد، پس از آن غشاء به حالت استراحت خود باز می‌گردد، با جداسازی عادی بارها و نفوذپذیری بالاتر به K نسبت به +Na.

The mechanisms underlying the resting potential and action potential are discussed in detail in Chapters 9 and 10. In addition to the long-distance signals represented by the action potential, nerve cells also pro- duce local signals-receptor potentials and synaptic potentials that are not actively propagated and that typically decay within just a few millimeters (see next section).

مکانیسم‌های زیربنای پتانسیل استراحت و پتانسیل عمل به تفصیل در فصل‌های ۹ و ۱۰ مورد بحث قرار گرفته‌اند. علاوه بر سیگنال‌های مسافت طولانی که توسط پتانسیل عمل نشان داده می‌شوند، سلول‌های عصبی همچنین سیگنال‌های محلی – پتانسیل‌های گیرنده و پتانسیل‌های سیناپسی را تولید می‌کنند. به طور فعال منتشر می‌شود و معمولاً در عرض چند میلی متر پوسیدگی می‌یابد (به بخش بعدی مراجعه کنید).

Changes in membrane potential that generate long-range and local signals can be either a decrease or an increase from the resting potential. That is, the resting membrane potential is the baseline from which all signaling occurs. A reduction in membrane potential, called depolarization, enhances a cell’s ability to generate an action potential and is thus excitatory. In contrast, an increase in membrane potential, called hyperpolarization, makes a cell less likely to generate an action potential and is therefore inhibitory.

تغییرات پتانسیل غشایی که سیگنال‌های دوربرد و موضعی تولید می‌کند می‌تواند کاهش یا افزایش پتانسیل استراحت باشد. یعنی پتانسیل غشای در حال استراحت، خط پایه ای است که تمام سیگنال دهی از آن رخ می‌دهد. کاهش پتانسیل غشایی که دپلاریزاسیون نامیده می‌شود، توانایی سلول را برای تولید پتانسیل عمل افزایش می‌دهد و بنابراین تحریک کننده است. در مقابل، افزایش پتانسیل غشایی که هیپرپلاریزاسیون نامیده می‌شود، باعث می‌شود سلول کمتر احتمال تولید پتانسیل عمل را داشته باشد و بنابراین بازدارنده است.

The Input Component Produces Graded Local Signals

مولفه ورودی سیگنال‌های محلی درجه بندی شده را تولید می‌کند

In most neurons at rest, no current flows from one part of the cell to another, so the resting potential is the same throughout. In sensory neurons, current flow is typically initiated by a physical stimulus, which activates specialized receptor proteins at the neuron’s receptive surface. In our example of the knee-jerk reflex, stretching of the muscle activates specific ion channels that open in response to stretch of the sensory neuron membrane, as we shall learn in Chapter 18. The opening of these channels when the cell is stretched permits the rapid influx of Na+ ions into the sensory cell. This ionic current changes the membrane potential, producing a local signal called the receptor potential.

در اکثر نورون‌ها در حالت سکون، هیچ جریانی از بخشی از سلول به قسمت دیگر جریان نمی‌یابد، بنابراین پتانسیل استراحت در سرتاسر یکسان است. در نورون‌های حسی، جریان جریان معمولاً توسط یک محرک فیزیکی آغاز می‌شود که پروتئین‌های گیرنده تخصصی را در سطح گیرنده نورون فعال می‌کند. همانطور که در فصل ۱۸ خواهیم آموخت، در مثال ما از رفلکس حرکتی زانو، کشش عضله کانال‌های یونی خاصی را فعال می‌کند که در پاسخ به کشش غشای عصبی حسی باز می‌شوند. هجوم سریع یون‌های +Na به سلول حسی. این جریان یونی پتانسیل غشاء را تغییر می‌دهد و یک سیگنال محلی به نام پتانسیل گیرنده تولید می‌کند.

The amplitude and duration of a receptor potential depend on the intensity of the muscle stretch: The larger or longer-lasting the stretch, the larger or longer- lasting is the resulting receptor potential (Figure 3-9A). That is, receptor potentials are graded, unlike the all- or-none action potential. Most receptor potentials are depolarizing (excitatory); hyperpolarizing (inhibitory) receptor potentials are found in the retina.

دامنه و مدت یک پتانسیل گیرنده به شدت کشش ماهیچه بستگی دارد: هر چه کشش بزرگتر یا طولانی تر باشد، پتانسیل گیرنده حاصل بزرگتر یا طولانی تر خواهد بود (شکل ۳-9A). یعنی بر خلاف پتانسیل عمل همه یا هیچ، پتانسیل‌های گیرنده درجه بندی می‌شوند. بیشتر پتانسیل‌های گیرنده دپلاریزان (تحریکی) هستند. پتانسیل‌های گیرنده‌هایپرپولاریزاسیون (بازدارنده) در شبکیه یافت می‌شود.

The receptor potential is the first representation of stretch to be coded in the nervous system. However, because this depolarization spreads passively from the stretch receptor, it does not travel far. The distance is longer if the diameter of the axon is bigger, shorter if the diameter is smaller. Also, the distance is shorter if current can pass easily through the membrane, and longer if the membrane is insulated by myelin. The receptor potential from the stretch receptor therefore travels only 1 to 2 mm. In fact, just 1 mm away, the amplitude of the signal is only about one-third what it was at the site of generation. To be carried successfully to the spinal cord, the local signal must be amplified- it must generate an action potential. In the knee-jerk reflex, if the receptor potential in the sensory neuron reaches the first node of Ranvier in the axon and is large enough, it will trigger an action potential (Figure 3-9B), which then propagates without failure to the axon terminals in the spinal cord (Figure 3-9C). At the synapse between the sensory neuron and a motor neuron, the action potential produces a chain of events that results in an input signal to the motor neuron.

پتانسیل گیرنده اولین نمایش کشش است که در سیستم عصبی کدگذاری می‌شود. با این حال، از آنجایی که این دپلاریزاسیون به طور غیر فعال از گیرنده کشش گسترش می‌یابد، به دور سفر نمی‌کند. اگر قطر آکسون بزرگتر باشد فاصله بیشتر و اگر قطر کوچکتر باشد کوتاهتر است. همچنین، اگر جریان به راحتی از غشاء عبور کند، فاصله کمتر و اگر غشاء توسط میلین عایق شده باشد، بیشتر است. بنابراین پتانسیل گیرنده از گیرنده کششی تنها ۱ تا ۲ میلی متر حرکت می‌کند. در واقع، تنها در فاصله ۱ میلی متری، دامنه سیگنال تنها حدود یک سوم آن چیزی است که در محل تولید وجود داشت. برای انتقال موفقیت آمیز به نخاع، سیگنال محلی باید تقویت شود – باید یک پتانسیل عمل ایجاد کند. در رفلکس حرکتی زانو، اگر پتانسیل گیرنده در نورون حسی به اولین گره رانویر در آکسون برسد و به اندازه کافی بزرگ باشد، یک پتانسیل عمل ایجاد می‌کند (شکل ۳-9B)، که سپس بدون شکست به آکسون منتشر می‌شود. پایانه‌های نخاع (شکل ۳-9C). در سیناپس بین نورون حسی و نورون حرکتی، پتانسیل عمل زنجیره ای از رویدادها را تولید می‌کند که منجر به سیگنال ورودی به نورون حرکتی می‌شود.

Figure 3-9 Each of the neuron’s four signaling components produces a characteristic signal. The figure shows a sensory neuron activated by stretching of a muscle, which the neuron senses through a specialized receptor, the muscle spindle.

شکل ۳-۹ هر یک از چهار جزء سیگنال دهی نورون یک سیگنال مشخص را تولید می‌کند. شکل یک نورون حسی را نشان می‌دهد که با کشش یک عضله فعال می‌شود، که نورون از طریق یک گیرنده تخصصی، دوک عضلانی، آن را حس می‌کند.

A. The input signal, called a receptor potential, is graded in amplitude and duration, proportional to the amplitude and duration of the stimulus.

الف) سیگنال ورودی که پتانسیل گیرنده نامیده می‌شود، از نظر دامنه و مدت، متناسب با دامنه و مدت زمان محرک درجه بندی می‌شود.

B. The trigger zone sums the depolarization generated by the receptor potential. An action potential is generated only if the receptor potential exceeds a certain voltage threshold. Once this threshold is surpassed, any further increase in amplitude of the receptor potential can only increase the frequency with which the action potentials are generated, because action potentials have a constant amplitude. The duration of the receptor potential determines the duration of the train of action potentials. Thus, the graded amplitude and duration of the receptor potential are translated into a frequency code in the action potentials generated at the trigger zone. All action potentials produced are propagated faithfully along the axon.

ب. منطقه ماشه دپلاریزاسیون تولید شده توسط پتانسیل گیرنده را جمع می‌کند. پتانسیل عمل تنها در صورتی ایجاد می‌شود که پتانسیل گیرنده از آستانه ولتاژ معینی فراتر رود. هنگامی‌که از این آستانه فراتر رفت، هر گونه افزایش بیشتر در دامنه پتانسیل گیرنده تنها می‌تواند فرکانس تولید پتانسیل‌های عمل را افزایش دهد، زیرا پتانسیل‌های عمل دارای دامنه ثابت هستند. مدت زمان پتانسیل گیرنده، مدت زمان قطار پتانسیل‌های عمل را تعیین می‌کند. بنابراین، دامنه درجه بندی شده و مدت زمان پتانسیل گیرنده به یک کد فرکانس در پتانسیل‌های عمل تولید شده در منطقه ماشه تبدیل می‌شود. تمام پتانسیل‌های عمل تولید شده به طور صادقانه در امتداد آکسون منتشر می‌شوند.

C. Action potentials are all-or-none. Because all action potentials have a similar amplitude and duration, the frequency and duration of firing encodes the information carried by the signal.

ج. پتانسیل‌های عمل همه یا هیچ هستند. از آنجایی که همه پتانسیل‌های عمل دارای دامنه و مدت مشابه هستند، فرکانس و مدت شلیک اطلاعات حمل شده توسط سیگنال را رمزگذاری می‌کند.

D. When the action potential reaches the synaptic terminal, it initiates the release of a neurotransmitter, the chemical substance that serves as the output signal. The frequency of action potentials in the presynaptic cell determines how much neurotransmitter is released by the cell.

د. هنگامی‌که پتانسیل عمل به پایانه سیناپسی می‌رسد، آزادسازی یک انتقال دهنده عصبی را آغاز می‌کند، ماده شیمیایی که به عنوان سیگنال خروجی عمل می‌کند. فرکانس پتانسیل عمل در سلول پیش سیناپسی تعیین می‌کند که چه مقدار انتقال دهنده عصبی توسط سلول آزاد می‌شود.

In the knee-jerk reflex, the action potential in the presynaptic terminal of the sensory neuron initiates the release of a chemical substance, or neurotransmitter, into the synaptic cleft (Figure 3-9D). After diffusing across the cleft, the transmitter binds to receptor proteins in the postsynaptic membrane of the motor neuron, thereby directly or indirectly opening ion channels. The ensuing flow of current briefly alters the membrane potential of the motor cell, a change called the synaptic potential.

در رفلکس حرکتی زانو، پتانسیل عمل در پایانه پیش سیناپسی نورون حسی باعث آزاد شدن یک ماده شیمیایی یا انتقال دهنده عصبی در شکاف سیناپسی می‌شود (شکل ۳-9D). پس از انتشار در سراسر شکاف، فرستنده به پروتئین‌های گیرنده در غشای پس سیناپسی نورون حرکتی متصل می‌شود و در نتیجه به طور مستقیم یا غیرمستقیم کانال‌های یونی را باز می‌کند. جریان متعاقب آن به طور خلاصه پتانسیل غشایی سلول موتور را تغییر می‌دهد، تغییری که پتانسیل سیناپسی نامیده می‌شود.

Like the receptor potential, the synaptic potential is graded; its amplitude depends on how much transmitter is released. In the same cell, the synaptic potential can be either depolarizing or hyperpolarizing depending on the type of receptor molecule that is activated. Synaptic potentials, like receptor potentials, spread passively. Thus, the change in potential will remain local unless the signal reaches beyond the axon’s initial segment where it can give rise to an action potential. Some dendrites are not entirely passive but contain specializations that boost the synaptic potential, thereby increasing its efficacy to produce an action potential (Chapter 13). The features of receptor and synaptic potentials are summarized in Table 3-1.

مانند پتانسیل گیرنده، پتانسیل سیناپسی درجه بندی می‌شود. دامنه آن به میزان آزاد شدن فرستنده بستگی دارد. در همان سلول، بسته به نوع مولکول گیرنده فعال شده، پتانسیل سیناپسی می‌تواند دپلاریز کننده یا هیپرپلاریزه باشد. پتانسیل‌های سیناپسی، مانند پتانسیل‌های گیرنده، به صورت غیر فعال گسترش می‌یابند. بنابراین، تغییر در پتانسیل موضعی باقی خواهد ماند مگر اینکه سیگنال به فراتر از بخش اولیه آکسون برسد، جایی که می‌تواند منجر به پتانسیل عمل شود. برخی از دندریت‌ها کاملاً غیرفعال نیستند، اما دارای تخصص‌هایی هستند که پتانسیل سیناپسی را تقویت می‌کنند و در نتیجه کارایی آن را برای تولید پتانسیل عمل افزایش می‌دهند (فصل ۱۳). ویژگی‌های پتانسیل گیرنده و سیناپسی در جدول ۳-۱ خلاصه شده است.

Table 3-1 Comparison of Local (Passive) and Propagated Signals

جدول ۳-۱ مقایسه سیگنال‌های محلی (غیرفعال) و منتشر شده

The Trigger Zone Makes the Decision to Generate an Action Potential

منطقه ماشه ای برای ایجاد یک پتانسیل اقدام تصمیم می‌گیرد

Sherrington first pointed out that the function of the nervous system is to weigh the consequences of different types of information and then decide on appropriate responses. This integrative function of the nervous system is clearly seen in events at the trigger zone of the neuron, the initial segment of the axon.

شرینگتون ابتدا اشاره کرد که عملکرد سیستم عصبی این است که پیامدهای انواع مختلف اطلاعات را سنجیده و سپس در مورد پاسخ‌های مناسب تصمیم گیری کند. این عملکرد یکپارچه سیستم عصبی به وضوح در رویدادهای منطقه ماشه ای نورون، بخش اولیه آکسون، دیده می‌شود.

Action potentials are generated by a sudden influx of Na+ through channels in the cell membrane that open and close in response to changes in membrane potential. When an input signal (a receptor potential or synaptic potential) depolarizes an area of membrane, the local change in membrane potential opens local Na channels that allow Na+ to flow down its concentration gradient, from outside the cell where the Na+ concentration is high to inside where it is low.

پتانسیل‌های عمل با هجوم ناگهانی +Na از طریق کانال‌هایی در غشای سلولی ایجاد می‌شوند که در پاسخ به تغییرات پتانسیل غشاء باز و بسته می‌شوند. هنگامی‌که یک سیگنال ورودی (یک پتانسیل گیرنده یا پتانسیل سیناپسی) ناحیه ای از غشاء را دپولاریزه می‌کند، تغییر موضعی در پتانسیل غشاء کانال‌های +Na را باز می‌کند که به +Na اجازه می‌دهد تا از شیب غلظت خود، از خارج از سلول که غلظت +Na در آن بالا است جریان یابد. به داخل جایی که کم است

Because the initial segment of the axon has the highest density of voltage-sensitive Na+ channels and therefore the lowest threshold for generating an action potential, an input signal spreading passively along the cell membrane is more likely to give rise to an action potential at the initial segment of the axon than at other sites in the cell. This part of the axon is therefore known as the trigger zone. It is here that the activity of all receptor (or synaptic) potentials is summed and where, if the sum of the input signals reaches threshold, the neuron generates an action potential.

از آنجایی که بخش اولیه آکسون دارای بالاترین چگالی کانال‌های +Na حساس به ولتاژ و در نتیجه پایین‌ترین آستانه برای تولید پتانسیل عمل است، سیگنال ورودی که به صورت غیرفعال در امتداد غشای سلولی پخش می‌شود، احتمال بیشتری دارد که پتانسیل عمل را ایجاد کند. بخش اولیه آکسون نسبت به سایر نقاط سلول. بنابراین این بخش از آکسون به عنوان منطقه ماشه شناخته می‌شود. در اینجاست که فعالیت تمام پتانسیل‌های گیرنده (یا سیناپسی) جمع می‌شود و اگر مجموع سیگنال‌های ورودی به آستانه برسد، نورون پتانسیل عمل تولید می‌کند.

The Conductive Component Propagates an All-or- None Action Potential

مولفه رسانا پتانسیل عمل همه یا هیچ را منتشر می‌کند

The action potential is all-or-none: Stimuli below the threshold do not produce a signal, but stimuli above the threshold all produce signals of the same amplitude. Regardless of variation in intensity or duration of stimuli, the amplitude and duration of each action potential are pretty much the same, and this holds for each regenerated action potential at a node of Ranvier along a myelinated axon. In addition, unlike receptor and synaptic potentials, which spread passively and decrease in amplitude, the action potential, as we have seen, does not decay as it travels along the axon to its target a distance that can be as great as 1 m-because it is periodically regenerated. This conducted signal can travel at rates as fast as 100 m/s. Indeed, the remark- able feature of action potentials is that they are highly stereotyped, varying only subtly (but in some cases importantly) from one nerve cell to another. This feature was demonstrated in the 1920s by Edgar Adrian, one of the first to study the nervous system at the cellular level. Adrian found that all action potentials have a similar shape or waveform (see Figure 3-2). The action potentials carried into the nervous system by a sensory axon often are indistinguishable from those carried out of the nervous system to the muscles by a motor axon.

پتانسیل عمل همه یا هیچ است: محرک‌های زیر آستانه سیگنالی تولید نمی‌کنند، اما محرک‌های بالای آستانه همه سیگنال‌هایی با دامنه یکسان تولید می‌کنند. صرف نظر از تنوع در شدت یا مدت محرک‌ها، دامنه و مدت زمان هر پتانسیل عمل تقریباً یکسان است و این برای هر پتانسیل عمل بازسازی شده در گره ای از رانویر در امتداد آکسون میلین دار صادق است. علاوه بر این، برخلاف پتانسیل‌های گیرنده و سیناپسی که به صورت غیرفعال گسترش می‌یابند و دامنه کاهش می‌یابند، پتانسیل عمل، همانطور که دیدیم، وقتی در امتداد آکسون به سمت هدف خود حرکت می‌کند، از بین نمی‌رود، زیرا می‌تواند به اندازه ۱ متر باشد. به صورت دوره ای بازسازی می‌شود. این سیگنال هدایت شده می‌تواند با سرعت ۱۰۰ متر بر ثانیه حرکت کند. در واقع، ویژگی قابل توجه پتانسیل‌های کنش این است که آن‌ها به شدت کلیشه ای هستند، که فقط به طور ماهرانه (اما در برخی موارد مهم) از یک سلول عصبی به سلول دیگر متفاوت است. این ویژگی در دهه ۱۹۲۰ توسط ادگار آدریان، یکی از اولین کسانی که سیستم عصبی را در سطح سلولی مطالعه کرد، نشان داده شد. آدریان دریافت که همه پتانسیل‌های عمل دارای شکل یا شکل موج مشابهی هستند (شکل ۳-۲ را ببینید). پتانسیل‌های عملی که توسط آکسون حسی به سیستم عصبی منتقل می‌شود، اغلب از پتانسیل‌هایی که توسط آکسون حرکتی از سیستم عصبی به عضلات منتقل می‌شود، قابل تشخیص نیستند.

Only two features of the conducting signal convey information: the number of action potentials and the time intervals between them (Figure 3-9C). As Adrian put it in 1928, summarizing his work on sensory fibers: “all impulses are very much alike, whether the message is destined to arouse the sensation of light, of touch, or of pain; if they are crowded together the sensation is intense, if they are separated by long intervals the sensation is correspondingly feeble.” Thus, what determines the intensity of sensation or speed of movement is the frequency of the action potentials. Likewise, the duration of a sensation or movement is determined by the period over which action potentials are generated.

فقط دو ویژگی سیگنال هدایت کننده اطلاعات را منتقل می‌کند: تعداد پتانسیل‌های عمل و فواصل زمانی بین آنها (شکل ۳-9C). همانطور که آدریان در سال ۱۹۲۸ کار خود را در مورد رشته‌های حسی خلاصه کرد: «همه تکانه ها بسیار شبیه به هم هستند، خواه این پیام برای برانگیختن احساس نور، لامسه یا درد باشد. اگر با هم شلوغ باشند، احساس شدید است، اگر با فواصل طولانی از هم جدا شوند، حس به نسبت ضعیف است.» بنابراین، آنچه که شدت حس یا سرعت حرکت را تعیین می‌کند، بسامد پتانسیل‌های عمل است. به همین ترتیب، مدت یک احساس یا حرکت با دوره ای که در طی آن پتانسیل‌های عمل ایجاد می‌شود، تعیین می‌شود.

In addition to the frequency of the action potentials, the pattern of action potentials also conveys important information. For example, some neurons are spontaneously active in the absence of stimulation. Some spontaneously active nerve cells (beating neurons) fire action potentials regularly; others (bursting neurons) fire in brief bursts of action potentials. These diverse cells respond differently to the same excitatory synaptic input. An excitatory synaptic potential may initiate one or more action potentials in a cell that is not spontaneously active, whereas that same input to spontaneously active cells will simply increase the existing rate of firing.

علاوه بر فراوانی پتانسیل‌های عمل، الگوی پتانسیل‌های عمل نیز اطلاعات مهمی‌را منتقل می‌کند. به عنوان مثال، برخی از نورون‌ها به طور خود به خود در غیاب تحریک فعال هستند. برخی از سلول‌های عصبی فعال خود به خود (نرون‌های ضربان‌دار) پتانسیل‌های عمل را به طور منظم شلیک می‌کنند. دیگران (نرون‌های در حال انفجار) در فوران‌های کوتاهی از پتانسیل‌های عمل شلیک می‌کنند. این سلول‌های متنوع به یک ورودی سیناپسی تحریکی پاسخ متفاوتی می‌دهند. یک پتانسیل سیناپسی تحریکی ممکن است یک یا چند پتانسیل عمل را در سلولی آغاز کند که به طور خود به خود فعال نیست، در حالی که همان ورودی به سلول‌های فعال خود به خود به سادگی سرعت شلیک موجود را افزایش می‌دهد.

An even more dramatic difference is seen when the input signal is inhibitory. Inhibitory inputs have little information value in a silent cell. By contrast, in spontaneously active cells, inhibition can have a powerful sculpting role. By establishing periods of silence in otherwise ongoing activity, inhibition can produce a complex pattern of alternating firing and silence where none existed. Such subtle differences in firing patterns may have important functional consequences for the information transfer between neurons. Mathematical modelers of neuronal networks have attempted to delineate neural codes in which information is also carried by the fine-grained pattern of firing the exact timing of each action potential.

هنگامی‌که سیگنال ورودی مهاری باشد، تفاوت چشمگیرتری مشاهده می‌شود. ورودی‌های بازدارنده ارزش اطلاعات کمی‌در یک سلول خاموش دارند. در مقابل، در سلول‌های خود به خود فعال، مهار می‌تواند نقش مجسمه سازی قدرتمندی داشته باشد. با ایجاد دوره‌های سکوت در فعالیت‌هایی که در غیر این صورت ادامه دارند، مهار می‌تواند الگوی پیچیده‌ای از شلیک و سکوت متناوب را در جایی که هیچ‌یک وجود نداشت، ایجاد کند. چنین تفاوت‌های ظریف در الگوهای شلیک ممکن است پیامدهای عملکردی مهمی‌برای انتقال اطلاعات بین نورون‌ها داشته باشد. مدل‌سازهای ریاضی شبکه‌های عصبی تلاش کرده‌اند کدهای عصبی را مشخص کنند که در آن اطلاعات نیز توسط الگوی ریزدانه شلیک زمان‌بندی دقیق هر پتانسیل عمل حمل می‌شود.

If signals are stereotyped and reflect only the most elementary properties of the stimulus, how can they carry the rich variety of information needed for complex behavior? How is a message that carries visual information about a bee distinguished from one that carries pain information about the bee’s sting, and how are these sensory signals distinguished from motor signals for voluntary movement? The answer is simple and yet is one of the most important organizational principles of the nervous system: Interconnected neurons form anatomically and functionally distinct pathways-labeled lines and it is these pathways of connected neurons, these labeled lines, not individual neurons, that convey information. The neural pathways activated by receptor cells in the retina that respond to light are completely distinct from the pathways activated by sensory cells in the skin that respond to touch.

اگر سیگنال‌ها کلیشه‌ای هستند و فقط ابتدایی‌ترین ویژگی‌های محرک را منعکس می‌کنند، چگونه می‌توانند طیف گسترده‌ای از اطلاعات مورد نیاز برای رفتار پیچیده را حمل کنند؟ چگونه پیامی‌که اطلاعات دیداری در مورد زنبور را حمل می‌کند از پیامی‌که حاوی اطلاعات درد در مورد نیش زنبور است متمایز می‌شود و چگونه این سیگنال‌های حسی از سیگنال‌های حرکتی برای حرکت ارادی تشخیص داده می‌شوند؟ پاسخ ساده است و در عین حال یکی از مهم ترین اصول سازمانی سیستم عصبی است: نورون‌های به هم پیوسته خطوط مشخص شده با مسیرهای تشریحی و عملکردی متمایز را تشکیل می‌دهند و این مسیرهای نورون‌های متصل، این خطوط برچسب گذاری شده، نه سلول‌های عصبی فردی هستند که اطلاعات را منتقل می‌کنند. . مسیرهای عصبی فعال شده توسط سلول‌های گیرنده در شبکیه چشم که به نور پاسخ می‌دهند کاملاً از مسیرهای فعال شده توسط سلول‌های حسی در پوست که به لمس پاسخ می‌دهند متمایز است.

The Output Component Releases Neurotransmitter

جزء خروجی انتقال دهنده عصبی را آزاد می‌کند

When an action potential reaches a neuron’s terminal, it stimulates the release of chemical substances from the cell. These substances, called neurotransmitters, can be small organic molecules, such as L-glutamate and acetylcholine, or peptides like substance P or LHRH (luteinizing hormone-releasing hormone).

هنگامی‌که یک پتانسیل عمل به پایانه یک نورون می‌رسد، آزاد شدن مواد شیمیایی از سلول را تحریک می‌کند. این مواد که انتقال دهنده‌های عصبی نامیده می‌شوند، می‌توانند مولکول‌های آلی کوچکی مانند ال-گلوتامات و استیل کولین یا پپتیدهایی مانند ماده P یا LHRH (هورمون آزاد کننده هورمون لوتئین کننده) باشند.

Neurotransmitter molecules are held in subcellular organelles called synaptic vesicles, which accumulate in the terminals of the axon at specialized release sites called active zones. To eject their transmitter substance into the synaptic cleft, the vesicles move up to and fuse with the neuron’s plasma membrane, then burst open to release the transmitter into the synaptic cleft (the extracellular space between the preand postsynaptic cell) by a process known as exocytosis. The molecular machinery of neurotransmitter release is described in Chapters 14 and 15.

مولکول‌های انتقال‌دهنده عصبی در اندامک‌های درون سلولی به نام وزیکول سیناپسی نگهداری می‌شوند که در پایانه‌های آکسون در مکان‌های رهاسازی تخصصی به نام مناطق فعال تجمع می‌یابند. برای بیرون راندن ماده فرستنده خود به داخل شکاف سیناپسی، وزیکول‌ها به سمت غشای پلاسمایی نورون حرکت می‌کنند و با غشای پلاسمایی نورون ترکیب می‌شوند، سپس باز می‌شوند تا فرستنده را به داخل شکاف سیناپسی (فضای خارج سلولی بین سلول پیش و پس سیناپسی) با فرآیندی به نام اگزوسیتوز آزاد کنند. . ماشین آلات مولکولی آزادسازی انتقال دهنده‌های عصبی در فصل‌های ۱۴ و ۱۵ توضیح داده شده است.

The released neurotransmitter molecules are the neuron’s output signal. The output signal is thus graded according to the amount of transmitter released, which is determined by the number and frequency of the action potentials that reach the presynaptic terminals (Figure 3-9C,D). After release, the transmitter molecules diffuse across the synaptic cleft and bind to receptors on the postsynaptic neuron. This binding causes the postsynaptic cell to generate a synaptic potential. Whether the synaptic potential has an excitatory or inhibitory effect depends on the type of receptor in the postsynaptic cell, not on the particular chemical neurotransmitter. The same transmitter substance can have different effects at different receptors.

مولکول‌های انتقال دهنده عصبی آزاد شده سیگنال خروجی نورون هستند. بنابراین سیگنال خروجی بر اساس مقدار فرستنده آزاد شده درجه بندی می‌شود که با تعداد و فرکانس پتانسیل‌های عملی که به پایانه‌های پیش سیناپسی می‌رسند تعیین می‌شود (شکل ۳-9C,D). پس از آزاد شدن، مولکول‌های فرستنده در سراسر شکاف سیناپسی پخش می‌شوند و به گیرنده‌های روی نورون پس سیناپسی متصل می‌شوند. این اتصال باعث می‌شود که سلول پس سیناپسی یک پتانسیل سیناپسی تولید کند. اینکه آیا پتانسیل سیناپسی اثر تحریکی یا مهاری دارد به نوع گیرنده در سلول پس سیناپسی بستگی دارد نه به انتقال دهنده عصبی شیمیایی خاص. یک ماده فرستنده یکسان می‌تواند اثرات متفاوتی در گیرنده‌های مختلف داشته باشد.

The Transformation of the Neural Signal From Sensory to Motor Is Illustrated by the Stretch-Reflex Pathway

تبدیل سیگنال عصبی از حسی به حرکتی توسط مسیر بازتابی کششی نشان داده شده است.

As we have seen, the properties of a signal are transformed as the signal moves from one component of a neuron to another or between neurons. In the stretch reflex, when a muscle is stretched, the amplitude and duration of the stimulus are reflected in the amplitude and duration of the receptor potential generated in the sensory neuron (Figure 3-10A). If the receptor potential exceeds the threshold for an action potential in that cell, the graded signal is transformed at the trigger zone into an action potential. Although individual action potentials are all-or-none signals, the more the receptor potential exceeds threshold, the greater the depolarization and consequently the greater the frequency of action potentials in the axon. The duration of the input signal also determines the duration of the train of action potentials.

همانطور که دیدیم، خواص یک سیگنال با حرکت سیگنال از یک جزء یک نورون به دیگری یا بین نورون‌ها تغییر می‌کند. در رفلکس کشش، زمانی که یک عضله کشیده می‌شود، دامنه و مدت زمان محرک در دامنه و مدت پتانسیل گیرنده تولید شده در نورون حسی منعکس می‌شود (شکل ۳-10A). اگر پتانسیل گیرنده از آستانه پتانسیل عمل در آن سلول فراتر رود، سیگنال درجه بندی شده در ناحیه ماشه به پتانسیل عمل تبدیل می‌شود. اگرچه پتانسیل‌های عمل فردی سیگنال‌های همه یا هیچ هستند، هر چه پتانسیل گیرنده از آستانه فراتر رود، دپلاریزاسیون بیشتر و در نتیجه فرکانس پتانسیل‌های عمل در آکسون بیشتر می‌شود. مدت زمان سیگنال ورودی همچنین مدت زمان قطار پتانسیل‌های عمل را تعیین می‌کند.

The information encoded by the frequency and duration of firing is faithfully conveyed along the axon to its terminals, where the firing of action potentials determines the amount of transmitter released.

اطلاعات رمزگذاری شده توسط فرکانس و مدت شلیک به طور صادقانه در امتداد آکسون به پایانه‌های آن منتقل می‌شود، جایی که شلیک پتانسیل‌های عمل میزان فرستنده آزاد شده را تعیین می‌کند.

Figure 3-10 The sequence of signals that produces a reflex action.
A. The stretching of a muscle produces a receptor potential in the specialized receptor (the muscle spindle). The amplitude of the receptor potential is proportional to the intensity of the stretch. This potential spreads passively to the integrative or trigger zone at the first node of Ranvier. If the receptor potential is sufficiently large, it triggers an action potential that then propagates actively and without change along the axon to the axon terminal. At specialized sites in the terminal, the action potential leads to the release of a chemical neurotransmitter, the output signal. The transmitter diffuses across the synaptic cleft between the axon terminal and a target motor neuron that innervates the stretched muscle; it then binds to receptor molecules on the external membrane of the motor neuron.

شکل ۳-۱۰ توالی سیگنال‌هایی که یک عمل بازتابی ایجاد می‌کند.
الف) کشش عضله باعث ایجاد پتانسیل گیرنده در گیرنده تخصصی (دوک عضلانی) می‌شود. دامنه پتانسیل گیرنده متناسب با شدت کشش است. این پتانسیل به طور منفعلانه به ناحیه یکپارچه یا ماشه در اولین گره Ranvier گسترش می‌یابد. اگر پتانسیل گیرنده به اندازه کافی بزرگ باشد، یک پتانسیل عمل ایجاد می‌کند که سپس به طور فعال و بدون تغییر در امتداد آکسون به انتهای آکسون منتشر می‌شود. در سایت‌های تخصصی در ترمینال، پتانسیل عمل منجر به انتشار یک انتقال دهنده عصبی شیمیایی، سیگنال خروجی می‌شود. فرستنده در سراسر شکاف سیناپسی بین پایانه آکسون و یک نورون حرکتی هدف که عضله کشیده شده را عصب می‌کند، پخش می‌شود. سپس به مولکول‌های گیرنده روی غشای خارجی نورون حرکتی متصل می‌شود.

B. This interaction initiates a synaptic potential that spreads passively to the trigger zone of the motor neuron’s axon, where it initiates an action potential that propagates actively to the terminal of the motor neuron’s axon. At the axon terminal, the action potential leads to release of a neurotransmitter near the muscle fiber.

ب. این برهمکنش یک پتانسیل سیناپسی را آغاز می‌کند که به صورت غیرفعال به ناحیه ماشه ای آکسون نورون حرکتی گسترش می‌یابد، جایی که یک پتانسیل عمل را آغاز می‌کند که به طور فعال به پایانه آکسون نورون حرکتی انتشار می‌یابد. در پایانه آکسون، پتانسیل عمل منجر به آزاد شدن یک انتقال دهنده عصبی در نزدیکی فیبر عضلانی می‌شود.

C. The neurotransmitter binds receptors on the muscle fiber, generating a synaptic potential. The synaptic potential triggers an action potential in the muscle, which causes a contraction.

ج. انتقال دهنده عصبی به گیرنده‌های فیبر عضلانی متصل می‌شود و یک پتانسیل سیناپسی ایجاد می‌کند. پتانسیل سیناپسی باعث ایجاد پتانسیل عمل در عضله می‌شود که باعث انقباض می‌شود.

These stages of signaling have their counterparts in the motor neuron (Figure 3-10B) and in the muscle (Figure 3-10C).

این مراحل سیگنال دهی مشابه خود را در نورون حرکتی (شکل ۳-10B) و در عضله (شکل ۳-10C) دارند.

Nerve Cells Differ Most at the Molecular Level

سلول‌های عصبی در سطح مولکولی بیشترین تفاوت را دارند

The model of neuronal signaling we have outlined is a simplification that applies to most neurons, but there are some important variations. For example, some neurons do not generate action potentials. These are typically local interneurons without a conductive component; they have no axon or such a short one that regeneration of the signal is not required. In these neurons, the input signals are summed and spread passively to the presynaptic terminal region near where transmitter is released. Neurons that are spontaneously active do not require sensory or synaptic inputs to fire action potentials because they have a special class of ion channels that permit Na+ current flow even in the absence of excitatory synaptic input.

مدل سیگنال دهی عصبی که ما بیان کردیم یک ساده سازی است که برای اکثر نورون‌ها اعمال می‌شود، اما برخی تغییرات مهم وجود دارد. به عنوان مثال، برخی از نورون‌ها پتانسیل عمل تولید نمی‌کنند. اینها معمولاً نورونهای داخلی محلی بدون جزء رسانا هستند. آنها آکسون یا آکسون کوتاهی ندارند که نیازی به بازسازی سیگنال نیست. در این نورون‌ها، سیگنال‌های ورودی جمع می‌شوند و به صورت غیرفعال به ناحیه پایانه پیش‌سیناپسی نزدیک جایی که فرستنده آزاد می‌شود، پخش می‌شوند. نورون‌هایی که به طور خود به خود فعال هستند برای شلیک پتانسیل‌های کنش نیازی به ورودی‌های حسی یا سیناپسی ندارند، زیرا آنها دسته خاصی از کانال‌های یونی دارند که اجازه جریان +Na را حتی در غیاب ورودی سیناپسی تحریکی می‌دهند.

Even cells that are similar morphologically can differ importantly in molecular details. For example, they can have different combinations of ion channels. As we shall learn in Chapter 10, different ion channels provide neurons with various thresholds, excitability properties, and firing patterns. Such neurons can encode synaptic potentials into different firing pat- terns and thereby convey different information.

حتی سلول‌هایی که از نظر مورفولوژیکی مشابه هستند، می‌توانند در جزئیات مولکولی بسیار متفاوت باشند. به عنوان مثال، آنها می‌توانند ترکیبات مختلفی از کانال‌های یونی داشته باشند. همانطور که در فصل ۱۰ خواهیم آموخت، کانال‌های یونی مختلف به نورون‌ها آستانه‌ها، ویژگی‌های تحریک‌پذیری و الگوهای شلیک متفاوتی می‌دهند. چنین نورون‌هایی می‌توانند پتانسیل‌های سیناپسی را در الگوهای شلیک مختلف رمزگذاری کنند و در نتیجه اطلاعات متفاوتی را منتقل کنند.

Neurons also differ in the chemical substances they use as transmitters and in the receptors that receive transmitter substances from other neurons. Indeed, many drugs that act on the brain do so by modifying the actions of specific chemical transmitters or receptors. Because of physiological differences among neurons, a disease may affect one class of neurons but not others. Certain diseases strike only motor neurons (amyotrophic lateral sclerosis and poliomyelitis), whereas others affect primarily sensory neurons (leprosy and tabes dorsalis, a late stage of syphilis). Parkinson disease, a disorder of voluntary movement, damages a small population of neurons that use dopamine as a neurotransmitter. Some diseases are selective even within the neuron, affecting only the receptive elements, the cell body, or the axon. In Chapter 57, we describe how research into myasthenia gravis, a disease caused by a faulty transmitter receptor in the muscle membrane, has provided important insights into synaptic transmission. Indeed, because the nervous system has so many cell types and variations at the molecular level, it is susceptible to more diseases (psychiatric as well as neurological) than any other organ system of the body.

نورون‌ها همچنین در مواد شیمیایی که به عنوان فرستنده استفاده می‌کنند و گیرنده‌هایی که مواد فرستنده را از نورون‌های دیگر دریافت می‌کنند، متفاوت هستند. در واقع، بسیاری از داروهایی که روی مغز اثر می‌گذارند، این کار را با اصلاح عملکرد فرستنده‌ها یا گیرنده‌های شیمیایی خاص انجام می‌دهند. به دلیل تفاوت‌های فیزیولوژیکی بین نورون‌ها، یک بیماری ممکن است یک دسته از نورون‌ها را تحت تأثیر قرار دهد اما بر سایرین تأثیر نگذارد. برخی از بیماری‌ها فقط به نورون‌های حرکتی حمله می‌کنند (اسکلروز جانبی آمیوتروفیک و فلج اطفال)، در حالی که برخی دیگر عمدتاً بر نورون‌های حسی تأثیر می‌گذارند (جذام و tabes dorsalis، مرحله آخر سیفلیس). بیماری پارکینسون، یک اختلال حرکتی ارادی، به جمعیت کوچکی از نورون‌ها آسیب می‌زند که از دوپامین به عنوان یک انتقال دهنده عصبی استفاده می‌کنند. برخی از بیماری‌ها حتی در داخل نورون نیز انتخابی هستند و فقط بر عناصر گیرنده، بدن سلولی یا آکسون تأثیر می‌گذارند. در فصل ۵۷، توضیح می‌دهیم که چگونه تحقیقات در مورد میاستنی گراویس، بیماری ناشی از گیرنده فرستنده معیوب در غشای عضلانی، بینش‌های مهمی‌را در مورد انتقال سیناپسی ارائه کرده است. در واقع، از آنجایی که سیستم عصبی دارای انواع سلولی و تغییرات بسیار زیادی در سطح مولکولی است، نسبت به سایر سیستم‌های بدن مستعد ابتلا به بیماری‌ها (روان‌پزشکی و همچنین عصبی) است.

Despite the morphological differences among nerve cells, the molecular mechanisms of electrical signaling are surprisingly similar. This simplicity is fortunate, for understanding the molecular mechanisms of signaling in one kind of nerve cell aids the understanding of these mechanisms in many other nerve cells.

با وجود تفاوت‌های مورفولوژیکی بین سلول‌های عصبی، مکانیسم‌های مولکولی سیگنال‌دهی الکتریکی به طرز شگفت‌آوری مشابه هستند. این سادگی خوشبختانه است، زیرا درک مکانیسم‌های مولکولی سیگنال‌دهی در یک نوع سلول عصبی به درک این مکانیسم‌ها در بسیاری از سلول‌های عصبی دیگر کمک می‌کند.

The Reflex Circuit Is a Starting Point for Understanding the Neural Architecture of Behavior

مدار بازتاب نقطه شروعی برای درک معماری عصبی رفتار است

The stretch reflex illustrates how interactions between just a few types of nerve cells can constitute a functional circuit that produces a simple behavior, even though the number of neurons involved is large (the stretch reflex circuit has perhaps a few hundred sensory neurons and a hundred motor neurons). Some invertebrate animals are capable of behavior as sophisticated as reflexes using far fewer neurons. Moreover, in some instances, just one critical command neuron can trigger a complex behavior such as the withdrawal of a body part from a noxious stimulus.

رفلکس کشش نشان می‌دهد که چگونه برهمکنش بین چند نوع سلول عصبی می‌تواند یک مدار عملکردی ایجاد کند که رفتار ساده ای ایجاد می‌کند، حتی اگر تعداد نورون‌های درگیر زیاد باشد (مدار بازتاب کشش شاید چند صد نورون حسی و صدها حرکتی داشته باشد. نورون‌ها). برخی از جانوران بی مهره قادرند به اندازه رفلکس‌ها با استفاده از نورون‌های بسیار کمتر رفتار کنند. علاوه بر این، در برخی موارد، تنها یک نورون دستوری حیاتی می‌تواند رفتار پیچیده‌ای مانند خروج بخشی از بدن از یک محرک مضر را تحریک کند.

For more complex behaviors, especially in higher vertebrates, many neurons are required, but the basic neural structure of the simple reflex is often preserved. First, there is often an identifiable group of neurons whose firing rate changes in response to a particular type of environmental stimulus, such as a tone of a certain frequency, or the juxtaposition of light and dark at a particular angle. Just as the firing rate of the stretch receptor neurons encodes the degree of muscle tension, the firing rates of cortical neurons in sensory areas of the cortex encode the intensity of a sensory feature (eg, the degree of contrast of the contour). As we shall see in later chapters, it is possible to change the features of a percept just by changing the firing rate of small groups of neurons.

برای رفتارهای پیچیده تر، به ویژه در مهره داران بالاتر، نورون‌های زیادی مورد نیاز است، اما ساختار عصبی اصلی رفلکس ساده اغلب حفظ می‌شود. اولاً، اغلب یک گروه قابل شناسایی از نورون‌ها وجود دارد که سرعت شلیک آنها در پاسخ به نوع خاصی از محرک‌های محیطی، مانند صدای یک فرکانس خاص، یا کنار هم قرار گرفتن نور و تاریکی در یک زاویه خاص، تغییر می‌کند. همانطور که سرعت شلیک نورون‌های گیرنده کششی درجه تنش عضلانی را رمزگذاری می‌کند، نرخ شلیک نورون‌های قشر مغز در نواحی حسی قشر، شدت یک ویژگی حسی (مثلاً درجه کنتراست کانتور) را رمزگذاری می‌کند. همانطور که در فصل‌های بعدی خواهیم دید، تغییر ویژگی‌های یک ادراک فقط با تغییر نرخ شلیک گروه‌های کوچکی از نورون‌ها امکان پذیر است.

Second, there is often an identifiable group of neurons whose firing rate changes before an animal performs a motor act. Just as the spike rate of motor neurons controls the magnitude of the contraction of the quadriceps muscle-hence the knee jerk-so does the firing rate of neurons in the motor cortex affect the latency and type of movement that will be performed. Exactly what aspect of the movement is encoded by such neurons remains an area of active inquiry, but it is well established that groups of neurons affect the ensuing action in a graded fashion by adjusting their firing rate. In other association areas of the cerebral cortex, the graded firing rates of neurons encode quantities that are essential for thought processes, such as the amount of evidence bearing on a choice (Chapter 56).

دوم، اغلب یک گروه قابل شناسایی از نورون‌ها وجود دارد که سرعت شلیک آنها قبل از انجام یک عمل حرکتی توسط حیوان تغییر می‌کند. درست همانطور که سرعت جهش نورون‌های حرکتی، میزان انقباض عضله چهارسر ران را کنترل می‌کند – از این رو تکان زانو – سرعت شلیک نورون‌ها در قشر حرکتی نیز بر زمان تاخیر و نوع حرکتی که انجام می‌شود تأثیر می‌گذارد. اینکه دقیقاً چه جنبه‌ای از حرکت توسط چنین نورون‌هایی رمزگذاری می‌شود، همچنان یک حوزه تحقیق فعال است، اما به خوبی ثابت شده است که گروه‌هایی از نورون‌ها با تنظیم سرعت شلیک خود بر عملکرد بعدی به صورت درجه‌بندی‌شده تأثیر می‌گذارند. در سایر نواحی ارتباطی قشر مغز، نرخ شلیک درجه‌بندی شده نورون‌ها مقادیری را رمزگذاری می‌کنند که برای فرآیندهای فکری ضروری هستند، مانند میزان شواهدی که بر یک انتخاب وجود دارد (فصل ۵۶).

Although sophisticated mental operations are far more complicated than a simple stretch reflex, it may nevertheless prove useful to consider the extent to which cognitive functions are supported by neural mechanisms that are organized in any way that resembles a simple reflex. What types of elaborations might be required to mediate a sophisticated behavior and thought? Unlike a simple reflex, with a sophisticated behavior, activation of sensory neurons would not give rise to an immediate reflexive action. There is more contingency to the process. Although simple reflexes are modulated by context, mental functions are more deeply shaped by a complex repertoire of contingencies, allowing for many possible effects of any one stimulus and many possible precipitants of any one action. In light of these contingencies, we are forced to conceive of a flexible routing between the brain’s data acquisition systems-not just the sensory systems but also the memory systems-and effector systems. As we shall see in later chapters, this is the role of the higher association areas of the cerebral cortex, acting in concert with several subcortical brain structures.

اگرچه عملیات ذهنی پیچیده بسیار پیچیده‌تر از یک رفلکس کششی ساده است، با این وجود ممکن است در نظر گرفتن میزان پشتیبانی عملکردهای شناختی توسط مکانیسم‌های عصبی که به گونه‌ای سازماندهی شده‌اند که شبیه یک رفلکس ساده باشد، مفید باشد. چه نوع جزئیاتی ممکن است برای میانجیگری یک رفتار و تفکر پیچیده مورد نیاز باشد؟ بر خلاف یک رفلکس ساده، با یک رفتار پیچیده، فعال شدن نورون‌های حسی منجر به یک عمل بازتابی فوری نمی‌شود. احتمال بیشتری برای این فرآیند وجود دارد. اگرچه رفلکس‌های ساده توسط زمینه تعدیل می‌شوند، عملکردهای ذهنی عمیق‌تر توسط مجموعه‌ای از حوادث احتمالی شکل می‌گیرند، که امکان بسیاری از اثرات احتمالی هر محرک و بسیاری از عوامل احتمالی هر عمل را فراهم می‌کند. در پرتو این موارد احتمالی، ما مجبور هستیم که مسیری انعطاف‌پذیر بین سیستم‌های اکتساب داده‌های مغز – نه فقط سیستم‌های حسی، بلکه همچنین سیستم‌های حافظه – و سیستم‌های اثرگذار را تصور کنیم. همانطور که در فصول بعدی خواهیم دید، این نقش نواحی ارتباطی بالاتر قشر مغز است که در هماهنگی با چندین ساختار زیر قشری مغز عمل می‌کنند.

Perhaps a more salient difference between a complex mental function and a reflex is the timing of action. Once activated, a reflex circuit leads to action almost immediately after the sensory stimulus. Any delay depends mainly on the conduction velocity of the action potentials in the afferent and efferent limbs of the reflex (eg, the ankle jerk is slower than the knee jerk because the spinal cord is further from the stretch receptors of the calf muscles than it is from the thigh extensors). For more complex behaviors, action need not occur more or less instantaneously with the arrival of sensory information. It might be delayed to await additional information or be expressed only when specific circumstances occur.

شاید تفاوت برجسته‌تر بین یک عملکرد ذهنی پیچیده و یک رفلکس، زمان‌بندی عمل باشد. پس از فعال شدن، یک مدار بازتابی تقریباً بلافاصله پس از محرک حسی منجر به عمل می‌شود. هر تأخیر عمدتاً به سرعت هدایت پتانسیل‌های عمل در اندام‌های آوران و وابران رفلکس بستگی دارد (به عنوان مثال، تکان دادن مچ پا کندتر از حرکت زانو است زیرا نخاع از گیرنده‌های کششی عضلات ساق پا دورتر از آن است. از اکستانسورهای ران). برای رفتارهای پیچیده تر، نیازی نیست که عمل کم و بیش آنی با ورود اطلاعات حسی اتفاق بیفتد. ممکن است منتظر اطلاعات اضافی با تأخیر باشید یا فقط در صورت وقوع شرایط خاص بیان شود.

Interestingly, the neurons in the association areas of the cortex of primates have the capacity to sustain graded firing rates for durations of many seconds. These neurons are abundant in the parts of the brain that mediate the flexible linkage between sensory and motor areas. They afford a freedom from the instantaneous nature of reflexive behavior and therefore may furnish the essential circuit properties that distinguish cognitive functions from more straightforward sensorimotor transformations like a reflex.

جالب توجه است که نورون‌های موجود در نواحی ارتباطی قشر پستانداران، ظرفیت حفظ سرعت شلیک درجه‌بندی شده برای مدت‌های چند ثانیه را دارند. این نورون‌ها در بخش‌هایی از مغز که واسطه‌ی ارتباط انعطاف‌پذیر بین نواحی حسی و حرکتی هستند، فراوان هستند. آنها از ماهیت آنی رفتار انعکاسی رهایی می‌یابند و بنابراین ممکن است ویژگی‌های مداری ضروری را ارائه دهند که عملکردهای شناختی را از تحولات حسی-حرکتی ساده تر مانند یک رفلکس متمایز می‌کند.

Neural Circuits Can Be Modified by Experience

مدارهای عصبی را می‌توان با تجربه تغییر داد

Learning can result in behavioral changes that endure for years, even a lifetime. But even simple reflexes can be modified, albeit for a much briefer period of time. The fact that much behavior can be modified by learning raises an interesting question: How is it that behavior can be modified if the nervous system is wired so precisely? How can changes in the neural control of behavior occur when connections between the signaling units, the neurons, are set during early development?

یادگیری می‌تواند منجر به تغییرات رفتاری شود که سال‌ها، حتی برای تمام عمر باقی می‌ماند. اما حتی رفلکس‌های ساده را می‌توان تغییر داد، البته برای مدت زمان بسیار کوتاه تری. این واقعیت که بسیاری از رفتارها را می‌توان با یادگیری تغییر داد، یک سوال جالب ایجاد می‌کند: چگونه می‌توان رفتار را اصلاح کرد اگر سیستم عصبی به این دقت سیم‌کشی شده باشد؟ هنگامی‌که ارتباطات بین واحدهای سیگنالینگ، نورون‌ها، در طول توسعه اولیه تنظیم می‌شوند، چگونه می‌توانند تغییراتی در کنترل عصبی رفتار ایجاد کنند؟

Several solutions for this dilemma have been proposed. The proposal that has proven most farsighted is the plasticity hypothesis, first put forward at the turn of the 20th century by Ramón y Cajal. A modern form of this hypothesis was advanced by the Polish psychologist Jerzy Konorski in 1948.

راه حل‌های متعددی برای این معضل پیشنهاد شده است. پیشنهادی که بسیار دوراندیشانه ثابت شده است، فرضیه انعطاف پذیری است که برای اولین بار در اواخر قرن بیستم توسط رامون ای کاخال مطرح شد. شکل مدرن این فرضیه توسط روانشناس لهستانی یرزی کونورسکی در سال ۱۹۴۸ ارائه شد.

The application of a stimulus leads to changes of a twofold kind in the nervous system… [T]he first property, by virtue of which the nerve cells react to the incoming impulse… we call excitability, and… changes arising… because of this property we shall call changes due to excitability. The second property, by virtue of which certain permanent functional transformations arise in particular systems of neurons as a result of appropriate stimuli or their combination, we shall call plasticity and the corresponding changes plastic changes.

اعمال یک محرک منجر به تغییراتی از نوع دوگانه در سیستم عصبی می‌شود… [T]اولین خاصیت که به موجب آن سلول‌های عصبی به تکانه ورودی واکنش نشان می‌دهند… ما تحریک پذیری می‌نامیم و … تغییرات به دلیل این خاصیت تغییرات ناشی از تحریک پذیری را می‌نامیم. خاصیت دوم که به موجب آن تغییرات عملکردی دائمی‌خاصی در سیستم‌های خاص نورون‌ها در نتیجه محرک‌های مناسب یا ترکیب آنها ایجاد می‌شود، ما پلاستیسیته و تغییرات مربوطه را تغییر پلاستیک می‌نامیم.

There is now considerable evidence for functional plasticity at chemical synapses. These synapses often have a remarkable capacity for short-term physiological changes (lasting seconds to hours) that increase or decrease synaptic effectiveness. Long-term physiological changes (lasting days or longer) can give rise to anatomical alterations, including pruning of synapses and even growth of new ones. As we shall see in later chapters, chemical synapses are functionally and anatomically modified during critical periods of early development but also throughout life. This functional plasticity of neurons endows each of us with a characteristic manner of interacting with the surrounding world, both natural and social.

اکنون شواهد قابل توجهی برای انعطاف پذیری عملکردی در سیناپس‌های شیمیایی وجود دارد. این سیناپس‌ها اغلب ظرفیت قابل توجهی برای تغییرات فیزیولوژیکی کوتاه مدت (از چند ثانیه تا چند ساعت) دارند که باعث افزایش یا کاهش اثر سیناپسی می‌شود. تغییرات فیزیولوژیکی طولانی مدت (روزها یا بیشتر) می‌تواند منجر به تغییرات آناتومیکی، از جمله هرس سیناپس‌ها و حتی رشد سیناپس‌های جدید شود. همانطور که در فصل‌های بعدی خواهیم دید، سیناپس‌های شیمیایی از نظر عملکردی و تشریحی در طول دوره‌های بحرانی رشد اولیه و همچنین در طول زندگی اصلاح می‌شوند. این شکل پذیری عملکردی نورون‌ها به هر یک از ما شیوه ای خاص از تعامل با دنیای اطراف، چه طبیعی و چه اجتماعی، می‌بخشد.

Highlights

نکات برجسته

۱. Nerve cells are the signaling units of the nervous system. The signals are mainly electrical within the cell and chemical between cells. Despite variations in size and shape, nerve cells share certain common features. Each has specialized receptors or transducers that receive input from other nerve cells or from the senses respectively; a mechanism to convert input to electrical signals; a threshold mechanism to generate an all-or-none electrical impulse, the action potential, which can be regenerated along the axon that connects the nerve cell to its synaptic target (another nerve cell, a muscle, or gland); and the ability to produce the release of a chemical (neurotransmitter) that affects the target.

۱. سلول‌های عصبی واحدهای سیگنال دهی سیستم عصبی هستند. سیگنال‌ها عمدتاً الکتریکی درون سلول و شیمیایی بین سلول‌ها هستند. علیرغم تنوع در اندازه و شکل، سلول‌های عصبی ویژگی‌های مشترک خاصی دارند. هر کدام گیرنده‌ها یا مبدل‌های ویژه ای دارند که ورودی را از سایر سلول‌های عصبی یا از حواس دریافت می‌کنند. مکانیزمی‌برای تبدیل ورودی به سیگنال‌های الکتریکی؛ مکانیسم آستانه ای برای تولید یک تکانه الکتریکی همه یا هیچ، پتانسیل عمل، که می‌تواند در امتداد آکسونی که سلول عصبی را به هدف سیناپسی خود (سلول عصبی، ماهیچه یا غده دیگر) متصل می‌کند، بازسازی شود. و توانایی تولید یک ماده شیمیایی (انتقال دهنده عصبی) که بر هدف تأثیر می‌گذارد.

۲. Glial cells support nerve cells. One type provides the insulation that speeds propagation of the action potential along the axon. Others help establish the chemical milieu for the nerve cells to operate, and still others couple nerve activity to the vascular supply of the nervous system.

۲. سلول‌های گلیال از سلول‌های عصبی پشتیبانی می‌کنند. یک نوع عایق را فراهم می‌کند که انتشار پتانسیل عمل در امتداد آکسون را سرعت می‌بخشد. برخی دیگر به ایجاد محیط شیمیایی برای عملکرد سلول‌های عصبی کمک می‌کنند و برخی دیگر فعالیت عصبی را به منبع عروقی سیستم عصبی مرتبط می‌کنند.

۳. Nerve cells differ in their morphology, the connections they make, and where they make them. This is clearest in specialized structures like the retina. Perhaps the largest difference between neurons is at the molecular level. Examples of molecular diversity include expression of different receptors, enzymes for synthesis of different neurotransmitters, and different expressions of ion channels. Differences in gene expression furnish the starting point for understanding why certain diseases affect some neurons and not others.

۳. سلول‌های عصبی از نظر مورفولوژی، اتصالاتی که ایجاد می‌کنند و محل ایجاد آنها متفاوت است. این در ساختارهای تخصصی مانند شبکیه واضح است. شاید بزرگترین تفاوت بین نورون‌ها در سطح مولکولی باشد. نمونه‌هایی از تنوع مولکولی شامل بیان گیرنده‌های مختلف، آنزیم‌هایی برای سنتز انتقال‌دهنده‌های عصبی مختلف، و بیان‌های مختلف کانال‌های یونی است. تفاوت در بیان ژن نقطه شروعی را برای درک اینکه چرا بیماری‌های خاص بر برخی از نورون‌ها تأثیر می‌گذارند و بر برخی دیگر تأثیر نمی‌گذارند.

۴. Each nerve cell is part of a circuit that has one or more behavioral functions. The stretch reflex circuit is an example of a simple circuit that produces a behavior in response to a stimulus. Its simplicity belies integrative functions, such as relaxation of muscles that oppose the stretched muscle.

۴. هر سلول عصبی بخشی از یک مدار است که یک یا چند عملکرد رفتاری دارد. مدار رفلکس کششی نمونه ای از مدار ساده ای است که در پاسخ به یک محرک رفتاری ایجاد می‌کند. سادگی آن عملکردهای یکپارچه، مانند شل کردن عضلاتی که با عضلات کشیده شده مخالف هستند، رد می‌کند.

۵. Modern neural science aspires to explain mental processes far more complex than reflexes. A natural starting point is to understand the ways that circuits must be elaborated to support sensory- motor transformations, which unlike a reflex, are contingent, flexible and not beholden to the immediacy of sensory processing and movement control.

۵. علم عصبی مدرن می‌خواهد فرآیندهای ذهنی را بسیار پیچیده‌تر از رفلکس‌ها توضیح دهد. یک نقطه شروع طبیعی، درک راه‌هایی است که مدارها باید برای پشتیبانی از تبدیلات حسی- حرکتی توضیح داده شوند، که بر خلاف یک رفلکس، اقتضایی، منعطف هستند و به فوریت پردازش حسی و کنترل حرکت وابسته نیستند.

۶. Neural connections can be modified by experience. In simple circuits, this process is a simple change in the strength of connections between neurons. A working hypothesis in modern neuroscience is that the “plastic” mechanisms at play in simple circuits also play a critical role in the learning of more complex behavior and cognitive function.

۶. اتصالات عصبی را می‌توان با تجربه اصلاح کرد. در مدارهای ساده، این فرآیند یک تغییر ساده در قدرت اتصالات بین نورون‌ها است. یک فرضیه کاری در علوم اعصاب مدرن این است که مکانیسم‌های «پلاستیک» در مدارهای ساده نقش مهمی‌در یادگیری رفتارهای پیچیده‌تر و عملکرد شناختی دارند.