نوروبیولوژی؛ ویژگی های غیرفعال نورون؛ ثابت زمانی و ثابت طولی

مهمترین ویژگی passive غشا RMP آن است. برای هر یونی، یک پتانسیل تعادلی داریم. پتانسیل تعادل، گرادیان غلظت را نشان می‌دهد. گرادیان غلظت هر چقدر باشد در دو سمت غشا می‌تواند پتانسیل تعادلی آن یون را به وجود آورد. این پتانسیل تعادلی برای یونی مثل سدیم حدود ۶۰+ و برای یون پتاسیم مقادیر منفی است. این توضیحات نشان می‌دهد که ما می‌توانیم از این گرادیان غلظت برای جابجایی و ایجاد جریان و نهایتاً تغییر ولتاژ استفاده کنیم. ما می‌توانیم با میل و تمایل یون برای جابجایی (EMF) خیلی از ویژگی‌های سلول را حدس بزنیم. درست است که ما می‌توانیم شبیه‌سازی کنیم و یک سری کانال‌ها را در غشا تعبیه کنیم و… سلول در یک محیط زنده با سلولی که در کامپیوتر یا پوست تخم مرغ یا سلولی که در (بنویس) یا خارج از بدن هست چه تفاوتی ممکن است با سلول زنده داشته باشد. یا اصطلاحا یک سلول simulate شده یا ویرچوال، چه تفاوتی با سلول زنده دارد؟

و در سلول ویرچوال چه چیزی می‌تواند فراموش شده باشد که ممکن است ما را به خطا بیندازد؟ چه شرایط دیگری لازم است در یک سلول ویرچوال که جوابی که به ما می‌دهد قابل اطمینان باشد نسبت به یک سلول زنده در invivo.
مهمترین موردی که از محیط ویرچوال باید رعایت کنیم pH سلول است و دمای محیطی که ساختیم. مایع اطراف سلول که فیزیولوژیک است سرمی است که حدود ۹ گرم نمک در یک لیتر آب وجود دارد به نام سرم فیزیولوژیک. یک محیط ایزوتونیک است. محیطی است که غلظت الکترولیت‌ها، فشار اسمزی و… در نظر گرفته می‌شود. علاوه بر این pH هم مهم است که در نظر گرفته شود.
محیط اسیدی یا قلیایی می‌تواند سلول را overactive یا hyperecitable کند و یا hypoexitable کند. در pH اسیدی شرایط سلول به سمت hypoexitable می‌رود. در شرایط افزایش pH یا هیپوکسی، سلول‌ها به سمت تشنج می‌روند. وقتی سلول را شبیه‌سازی می‌کنیم باید بدانیم که ما یک محیط pH خنثی داریم حدود ۷/۲ – ۷ و باید برای محیط ویرچوال pH مناسب را در نظر بگیریم.

دما نیز مهم است دمای بالا می‌تواند سلول را hyperactive کند و دمای پایین می‌تواند سلول را sedative کند.
کانال‌های یونی ویژگی‌های مهمی دارند و جز مقاومتی غشا محسوب می‌شوند. در شرایطی به عنوان هادی عمل می‌کنند. پس می‌توانند وقتی غیرفعالند مثل باتری عمل کنند و یون‌ها را اطراف خودشان نگه دارند. وقتی فعال می‌شوند می‌توانند به عنوان هادی و رسانا عمل کنند. کانال‌ها می‌توانند اختلاف غلظت یون‌ها را ایجاد کنند. هر چقدر تعداد کانال‌های اکتیو در غشا بیشتر باشد هدایت بیشتر می‌شود.

conductance  در غشای سلول برای هر یون = تعداد کانال‌های آن یون × هدایت اولیه برای آن یون

مثلا برای یون پتاسیم:    g _k = N_k × ¥_k

در غشای سلول یک مقاومت عرض غشایی (inner resistance) داریم و یک مقاومت خارجی (outer resistance) داریم. 

ثابت طولی و ثابت زمانی جز ویژگی‌های پسیوی هستند که capacitance و resistance و ولتاژ روی آنها اثر بسیار مهمی دارند. 

ثابت زمانی (time constant): پارامتری است که می‌گوید در یک بازه زمانی مدت زمان رسیدن به ولتاژ شارژ چقدر است. مدت زمانی که طول می‌کشد پتانسیل غشا به ۶۳ درصد مقدار نهایی ولتاژ خودش برسد. سلول اصطلاحا شارژ می‌شود و در مرحله firing قرار می‌گیرد. برعکس آن نیز صادق است مدت زمانی که طول می‌کشد پتانسیل غشا به ۳۷ درصد ماکزیمم خودش افت کند. می‌گوییم سلول شارژ یا دیس شارژ شده است در کتاب‌ها به آن تاو (tau) گفته می‌شود یا به آن vao bace هم گفته می‌شود. 

[time delay, time lag, time offset, time-phase shift, and time response] 

وقتی یک غشای بیوالکتریک داریم، V∆ یا تغییرات ولتاژ به وجود می‌آید که این ولتاژ در مقاومت عرض غشایی دارد تلاش می‌کند که اختلاف پتانسیل ایجاد کند. مدت زمانی که طول می‌کشد که ولتاژ به ۶۳ درصد پیک نهایی خودش برسد را زمان vao bace یا تاو (τ) یا ثابت زمانی یا time constant می‌گویند.

برای محاسبه آن می‌گوییم تاو برابر است با مقاومت داخلی ضرب در کاپاسیتانس (Capacitance) داخلی. 

وقتی قرار است سلول دیس شارژ شود وقتی که مقدارش به ۳۷ درصد ماکزیمم خودش رسید یعنی ۳۷ درصد کمتر شد یا دی کی (decay) داشت می‌گوییم اصطلاحا افت کرده یا دچار دیس شارژ شده است. کل این زمان تاو ۲۰-۱ میلی ثانیه است. پس در یک سلول نرمال ۲۰-۱ میلی ثانیه زمان داریم که به آن ثابت زمانی می‌گوییم.

ثابت زمانی به چه درد می‌خورد؟ چه ویژگی از سلول را نشان می‌دهد؟

τ می‌گوید زمان دپولاریزاسیون چقدر است. می‌گوید چه مدت زمان لازم است که سلول دپولاریزه شود و پتانسیلش به ماکزیمم مقدار خودش برسد. می‌تواند بگوید که آیا سلول تحریک پذیر است یا تنبل است. پس وقتی τ کم باشد یعنی سلول تحریک پذیری بالایی دارد. ولی اگر τ طولانی باشد نشان دهنده این است که سلول تنبل است و می‌خواهد خودش را به زور برساند به شارژ شدن پس ممکن است در مسیر شارژ شدن دچار تطابق شود. ما گاهی اوقات نیاز داریم سلول overactive رفتار کند. یه جاهایی هم تطابق به درد می‌خورد. پس ثابت زمانی به ما کمک می‌کند به دو پارامتر برسیم: 

۱- اینکه سلول‌ها چگونه با هم سیناپس می‌کنند.

۲- چطور می‌شود که در سلول اینتگریشن یا تلفیق ایجاد شود.

هر چقدر سرعت تغییر ولتاژ بیشتر باشد اینتگریشن سریع‌تر اتفاق می‌افتد. هر چقدر سرعت تغییر ولتاژ کمتر باشد و به آن سرعت مورد نظر نرسد، سلول دچار تطابق می‌شود. پس این به اینتگریتی سیناپسی کمک می‌کند. به اینکه سلول‌ها بتوانند یکجا پیام‌هایشان را یکی کنند و…

ثابت زمانی یکی از ویژگی‌های پسیو سلول است. پس چه اتفاقی می‌افتد که یک سلول در ۳ میلی ثانیه به شارژ می‌رسد و یک سلولی در ۱۸ میلی ثانیه به شارژ برسد؟ از نظر ظاهری چه فرقی با هم دارند؟

تعداد کانال‌هایشان فرق دارد. تعداد کانال‌ها یعنی مقاومت و ظرفیت غشایی. در ظرفیت غشایی طول آکسون خیلی تاثیر می‌گذارد. ژئومتری سلول یعنی طولی که سلول باید طی کند، سایز سلول، مساحت سلول باعث می‌شود یک سلول در یک میلی ثانیه و سلول دیگر در ۱۵ میلی ثانیه دپولاریزه شود. مهندسی غشای سلول در ویژگی‌های ذاتی سلول اثر بسیار مهمی داشته است τ به مهندسی یا ژئومتری سلول بستگی دارد؛ یعنی به مقاومت، به Capacitance و طول فیبر عصبی بستگی دارد. 

با عدد τ می‌توانیم یک پاراگراف مقاله را بنویسیم.

ثابت طولی (space constant): ثابت طولی از ویژگی‌های پسیو غشا است و بیانگر میزان افت ولتاژ با فاصله است. فرض کنیم نقطه‌ای از آکسون را تحریک یا شارژ کرده‌ایم و در آن نقطه که تحریک می‌کنیم ماکزیمم دامنه یا آمپلی‌تود تغییرات ولتاژ را داریم. از آنجا که دور می‌شویم هر چقدر از مبدا اولیه فاصله بیشتر می‌شود سیگنال دچار افت می‌شود. اصطلاحا می‌گوییم سیگنال با فاصله دچار افت توانی می‌شود.

ثابت طولی نشان دهنده افت سیگنال نسبت به فاصله است. در منطقه ایجاد تحریک و یا مناطق نزدیکش افت سیگنال کم است، دامنه سیگنال بیشتر است. پتانسیل ماکزیمم مقدارش را دارد اما به مرور که دورتر می‌شویم افت سیگنال بیشتر می‌شود.

ثابت طولی برابر است با مقاومت عرض غشایی به مقاومت داخلی و به لامبدا معروف است. هر چقدر مقاومت داخلی کمتر باشد افت ولتاژ کمتر می‌شود و سرعت انتشار سیگنال در یک فاصله بیشتر می‌شود. طول یک قطعه نورونی می‌تواند در ثابت زمانی‌اش اثر داشته باشد. مقاومت داخلیش می‌تواند در افت ولتاژ اثر داشته باشد. سطح مقطع هم می‌تواند در افت ولتاژ اثر داشته باشد، هرچه سلول سطح مقطعش بزرگتر باشد، مقاومت سطح مقطعش صفر می‌شود. چرا؟ مقاومت هم اندازه سلول هم به مساحت سطح سلول و هم به قطر سلول بستگی دارد. پس با همین ثابت طولی به مقاومت هم می‌توانیم پی ببریم. ثابت زمانی بیشتر، نتیجه می‌دهد مقاومت عرض غشایی بیشتر، نتیجه می‌دهد ثابت طولی بیشتر.

اگر یک ثابت طولی بزرگتر باشد یعنی سیگنال می‌تواند طول بیشتری را طی کند. ثابت طولی آکسون اگر بزرگتر باشد یعنی سیگنال مسافت بیشتری را طی می‌کند. یعنی به نورون یا دندریت یا زائده بعدی نزدیک‌تر می‌شود نمودارش شیب خطی ندارد بلکه شیب تصاعدی دارد.

نقش میلین: در اطراف فیبر عصبی غلافی پیچیده شده که این غلاف نقش capacitor (خازن) را بازی می‌کند. میلین روکشی است که باعث می‌شود کانال‌های یونی در جایی که این غلاف‌ها وجود ندارد فشرده شوند یعنی از توزیع بارهای الکتریکی جلوگیری می‌کند. یون‌ها فقط در جایی می‌توانند جابجا شوند که کانال‌ها وجود دارند یک نظمی به اطراف فیبر عصبی می‌دهد. اگر غشا میلین نداشته باشد یک مسیر مقاومتی وجود دارد و مقاومت عرض غشا زیاد می‌شود. با وجود میلین پارامتری وجود دارد به نام ظرفیت خازنی. اگر این خازن نبود هر اتفاقی راجع به ولتاژ به صورت خطی کار خودش را انجام می‌داد، ولی چون خازن وجود دارد هر اتفاق دیگر، غیرخطی حساب نمی‌شود؛ یعنی هیچ چیزی به صورت خطی پیش نمی‌رود؛ همه وقایع به صورت نمایی (exponential) پیش می‌روند. آهسته و تاخیری می‌شوند. چون خازن وارد بازار شده و سرعت تغییر ولتاژ را می‌تواند تحت تاثیر قرار دهد غلاف میلین دو دور می‌چرخد دور فیبر و دو تا چرخ را ایجاد می‌کند البته در شکل. 

وقتی میلین دور فیبر می‌پیچد، می‌گوییم یک خازنی ایجاد شده که به صورت سری بسته شده. در یک نورون میلین به صورت تیپیکال ۲۵ دور دور فیبر می‌پیچد و ۵۰ برابر ظرفیت خازنی را تحت تاثیر قرار می‌دهد؛ اما چون به صورت سری بسته می‌شود ظرفیت خازنی کاهش پیدا می‌کند.

1/C= 1/C1+1/C2+1/C3+…+1/Cn

پس غلاف میلین ضخیم‌تر باعث سرعت هدایت بیشتر می‌شود

Cm= 1/50 Cin

1/50»» ظرفیت اولیه غشا، Cm»» ظرفیت کل غشا، 

 دو تا آکسون داریم هر دوتا اندازه یکی است (قطر) 

ولی دور یکی میلین است دور یکی نیست از نظر ظرفیت خازنی (capacitance) چه فرقی با هم دارند؟ آکسونی که میلین دارد ظرفیت خازنی‌اش کمتر است، پس سرعت هدایت آن بیشتر است. خازن اجازه جمع شدن یون‌ها اطراف غشا را نمی‌دهد. ظرفیت خازن‌ها را که کمتر کنیم کانال‌ها راحت‌تر می‌توانند یون‌ها را جابجا کنند.

ظرفیت خازنی رابطه‌اش با مقاومت چگونه است؟ مقاومت که بیشتر باشد ظرفیت کمتر است. مقاومت از قطر خارجی آکسون می‌آید. هر چقدر قطر بیشتر باشد ظرفیت خازنی کمتر و سرعت هدایت بیشتر است. مقاومت بیشتر یعنی زمان بیشتری لازم داریم که خازن را شارژ کنیم. پس ظرفیت خازن کمتر می‌شود و سرعت هدایت بیشتر می‌شود. وقتی می‌گوییم اینها جز ویژگی های ذاتی سلول‌اند یعنی هیچ کدام دیگر تغییر نمی‌کنند.

هر چیز که گفتیم زیر سر کانال‌ها بود. پس وقتی تعداد کانال‌ها را تغییر دهیم می‌توانیم مسیرهای مقاومتی را عوض کنیم. سری ببندیم یا موازی ببندیم. کانال جدید insert کنیم. کانال‌ها چگونه اینسرت می‌شوند؟ و چگونه زیاد می‌شوند؟ در حافظه، در یادگیری، در درد، در التهاب، کانال‌های سدیمی را فعال می‌کنیم» Ca وارد می‌شود و… پس با دستکاری هورمونی می‌توانیم این کارها را انجام دهیم مثلاً روزانه ورزش می‌کنیم، می‌دویم. پس با تغییر هورمون‌هایی مثل کورتیزول یا استروئیدی یا پپتییدی می‌توانیم تعداد کانال‌ها را کم و زیاد کنیم.

وقتی آسیب عصبی ایجاد می‌کنیم دردهای نوروژنک ایجاد می‌شوند؛ یعنی تعداد کانال‌ها آنجا زیاد شده بیمار دچار هایپر آلژزیا یا پردردی شده. در بیماری صرع تعداد کانال‌های سدیمی در کانون صرع زیاد شده در این رابطه کارهای دیگری هم برای تغییر می‌توان انجام داد. مثلاً اصطلاحاً می‌گوییم کانال فسفوریله شده یعنی اکتیو شده. PKC باعث فسفوریله شدن کانال‌های کلسیمی می‌شود. فسفریله که شد چه اتفاقی می‌افتد؟ فسفوریله شدن کانال‌ها تواند باعث باز و بسته شدن طولانی‌تر آنها شود. در پاتوفیزیولوژی بیماری‌های التهابی وقتی پروتئین کیناز C فعال شود، کانال‌های کلسیمی فسفوریله می‌شوند و مدت طولانی باز می‌مانند سلول‌ هایپراکتیو می‌شود پس در غشا سلول می‌توانیم تعداد کانال‌ها را کم و زیاد کنیم. یا به یک روش اکسسوری بهشان دستبند بزنیم. دفسفوریله‌شان کنیم. می‌توانیم به صورت مصنوعی آکسون را د میلینیه کنیم. دژنره کنیم (M.S.) یا اینکه ظرفیت خازنی یا ظرفیت capacitory در فیبر عصبی یکسان است ولی در شرایط پاتولوژیک همان آکسون می‌تواند د میلینه شود در ام اس چنین حالتی داریم ظرفیتش تغییر کند و هدایتش تغییر کند. در غشای سلول می‌توانیم محیط را دستکاری کنیم مثلاً در یک زمانی در سایتواسکلتون یک remodeling (بازآرایی) یا demodeling ایجاد کنیم. شکل سلول را تغییر دهیم arrange پروتئین‌های سایتواسکلتون رو عوض کنیم. داربست‌های اکتینی، میوزینی، نوروفیلامنت‌ها، میکروفیلامنت‌ها ترتیبشان اگر در غشای سلول عوض شود می‌توانند ویژگی‌های خازنی را تغییر دهند‌. میکروفیلامنت‌ها و نوروفیلامنت‌ها می‌توانند طولشان کم و زیاد شودـ سلول می‌تواند از یک جای کوتاه شود و یا بلند شود و به سمت Synaptogenesis یا جمع شدن سیناپس برود. سلول می‌تواند کوتاه بلند شود پس ظرفیت خازنی با تغییر طول سلول می‌تواند کم و زیاد شود. با منشعب شدن با رشد کردن با جوانه زنی و… همه این‌ها می‌توانند ژئومتری سلول را تغییر دهند و تمام پارامترها تاو، ثابت طولی و زمانی تغییر پیدا کند… 

وقتی از تکنیک‌های توانبخشی استفاده می‌کنیم، نورون شروع به جوانه زنی می‌کند، ژئومتریش عوض می‌شود، مقاومت سیتوپلاسم و غشا تغییر می‌کند… سلول‌ها دچار تغییر توانایی می‌شوند (نوروپلاستیتی)

ما با رشد، تغییر محیط زندگی، به دست آوردن مهارت‌های جدید، تغییرات پاتولوژیک، بیماری، التهاب، درد، آسیب، بازسازی، بازتوانی، از بین رفتن سیناپس و… فاکتورهای ذاتی غشا می‌تواند تغییر کند.

با توجه به غلاف میلین می‌توان فیبرها را به چند دسته تقسیم کرد: ۱- میلینه ۲- غیرمیلینه یا ۱- کند و ۲- تند.

فیبرهای میلینه و غیرمیلینه

می‌توانیم از network سلول یا کل شبکه ثبت بگیریم یا از روی سطح جمجمه ثبت بگیریم (EEG). حالا اگر یک بخش از این سطح را کراپ کنیم و ریز بررسی کنیم. کلی اطلاعات از آن به دست می‌آید. مثلاً در یک موج بالارو یا پایین رو می‌توانیم دامنه موج را بفهمیم. مثلاً اگر پایین رو باشد دامنه‌اش مثلاً ۴۰ میلی ولت است از یک سلول دیگر اگر ثبت بگیریم و آن هم موجش پایین‌رو باشد مثلاً دامنه‌اش ۲۰- میلی ولت باشد چه فرقی با هم دارند؟

آنکه ولتاژش منفی‌تر است و تحریک شدیدتری به آن وارد شده است که دامنه را پایین‌تر برده است. یکی از پارامترهایی که از یک موج ساده در ثبت به دست می‌آوریم آمپلیتود یا دامنه آن است چقدر زمان لازم بوده که برسد به تایم که ثابت زمانیش دچار decay شود و بیاید به پیک برسد دوباره برگردد؟ duration time ثبت شده (از زمان شروع تحریک تا موج به کمترین پیک خود برسد و برگردد) هر چقدر این مدت زمان طولانی‌تر باشد چه مفهومی دارد؟ فرکانس کمتر است یعنی تا سلول آستانه‌اش را رد کند و به پیکش برسد و برگردد زمان زیادی برده. پس تعداد پالس‌هایی که می‌فرستد (فرکانس) کم می‌شود (یعنی سلول طول می‌کشد تا مهار شود) 

ما به روش‌های مختلف می‌توانیم کار الکتروفیزیولوژی انجام دهیم. می‌توانیم از یک کارنت ثبت بگیریم می‌توانیم A.Pها را ثبت کنیم… می‌توانیم سیگنال‌های انتقال کلسیم‌ها را ثبت بگیریم. (Ca²⁺ transients) 

ما در سلول عصبی ثبت‌هایی که می‌گیریم فقط A.P نیستند. ما در غشای سلول‌های عصبی در دندریت یا سوما انواع دیگری از ثبت ولتاژ‌ها را داریم. در آکسون از initial segment به بعد A.P داریم اما در دندریت و در سوما A.P نداریم بلکه EPP داریم. 
بعضی از EPPهای ما EPSP و برخی دیگر IPSP هستند (End plate potential). EPSP  شبیه AP است اما به AP هنوز نرسیده این ثبتی که می‌گیریم یک دامنه دارد و هر چقدر دامنه تحریک اولیه بیشتر باشد. دامنه تحریک بیشتر یعنی چه؟ یعنی ولتاژ غشا بیشتر تغییر کرده است و ولتاژ غشا مثبت‌تر شده است در کنار EPSP که به مفهوم باز شدن کانال‌های یونی مثبت و ورودی یک یون مثبت به داخل سلول و دپولاریزاسیون است ما ممکن است IPSP داشته باشیم یعنی سلول به سمت مقادیر مهاری رفته است. IPSP حاصل فعالیت چه کانالی است؟ کانال‌های کلری. آیا فقط کانال‌های کلری IPSP ایجاد می‌کنند؟ خیر. در غشا گاهی ممکن است خروج یون‌های پتاسیمی باعث منفی‌تر شدن داخل غشا شود. در ثبت کانال‌ها با این دو موضوع زیاد کار می‌شود. مثلاً بلاکر کانال‌های سدیمی به کار می‌برند سدیم وارد سلول نمی‌شود. پس جریان‌های IPSP ثبت می‌شود یا آگونیست کانال‌های پتاسیمی به کار می‌برند پتاسیم از سلول خارج می‌شود و سلول به سمت مقادیر منفی پیش می‌رود. ساز و کار ساخت داروها هم همین است. مثلاً بنزودیازپین مثل دیازپام چه کار می‌کند؟ مقدار کلر بیشتری وارد سلول می‌شود چون کانال کلری بیشتری را فعال می‌کند. دیازپام چه کار می‌کند؟ فرکانس باز شدن کانال‌های کلری را زیاد می‌کند. سلول‌هایی که دچار تشنج شده‌اند را مهار می‌کند و می‌توانیم ثبت منفی ازشان بگیریم. دارویی قوی‌تر است که این منفی شدن را زودتر و بیشتر ایجاد کند. یعنی دامنه ولتاژ پایین رو بیشتر باشد. وقتی مقاله می‌خوانیم مثلاً efficacy دو تا دارو را روی هم IPSPها نشان داده. یک دارو IPSP منفی‌تری ایجاد کرده پس داروی قوی‌تری است. پس توانسته کانال‌های کلری را در مدت زمان بیشتری را باز کند. پس سلول هایپرپولاریزه می‌شود. نوروترانسمیترهای گلایسین و گابا می‌توانند IPSP ایجاد کنند. هر دارویی که آگونیست این‌ها باشد می‌تواند همین کار این‌ها را انجام دهد و IPSP ایجاد کند.  IPSPها پایین رو هستند. EPSPها بالارو هستند و آنها استعداد این را دارند که AP ایجاد کنند (با سوار شدن روی همدیگر).

جلسه آینده درباره روابط بین مقاومت و Conductance، Capacitance مروری داشته باشیم و نقش میلین را توضیح دهیم.

CV استاد گرانقدر خانم دکتر ثریا مهرابی