فیزیولوژی پزشکی گایتون و هال؛ ساماندهی دستگاه عصبی؛ وظایف اصلی سیناپس ها و انتقال دهنده های عصبی

---

---

---

---

The nervous system is unique in the vast complexity of thought processes and control actions that it can perform. Each minute it receives literally millions of bits of information from the different sensory nerves and sensory organs and then integrates all these to determine responses to be made by the body.

سازماندهی سیستم عصبی، عملکردهای اساسی سیناپس‌ها و انتقال دهنده‌های عصبی

سیستم عصبی در پیچیدگی گسترده فرآیندهای فکری و اعمال کنترلی که می‌تواند انجام دهد منحصر به فرد است. در هر دقیقه به معنای واقعی کلمه میلیون‌ها بیت اطلاعات از اعصاب حسی و اندام‌های حسی مختلف دریافت می‌کند و سپس همه این‌ها را برای تعیین پاسخ‌هایی که باید توسط بدن ایجاد شود، ادغام می‌کند.

Before beginning this discussion of the nervous system, the reader should review Chapters 5 and 7, which present the principles of membrane potentials and transmission of signals in nerves and through neuromuscular junctions.

قبل از شروع این بحث در مورد سیستم عصبی، خواننده باید فصل‌های ۵ و ۷ را بررسی کند که اصول پتانسیل‌های غشایی و انتقال سیگنال‌ها در اعصاب و از طریق اتصالات عصبی-عضلانی را ارائه می‌کند.

GENERAL DESIGN OF THE NERVOUS SYSTEM

طراحی کلی سیستم عصبی

 

CENTRAL NERVOUS SYSTEM NEURON: THE BASIC FUNCTIONAL UNIT

The central nervous system is estimated to contain 80 to 100 billion neurons. Figure 46-1 shows a typical neuron of a type found in the brain motor cortex. Incoming signals enter this neuron through synapses located mostly on the neuronal dendrites, but also on the cell body. For different types of neurons, there may be only a few hundred or as many as 200,000 such synaptic connections from input fibers. In contrast, the output signal travels via a single axon leaving the neuron. Then, this axon may have many separate branches to other parts of the nervous system or peripheral body.

نورون سیستم عصبی مرکزی: واحد عملکردی اساسی

تخمین زده می‌شود که سیستم عصبی مرکزی شامل ۸۰ تا ۱۰۰ میلیارد نورون باشد. شکل ۴۶-۱ یک نورون معمولی از نوع موجود در قشر حرکتی مغز را نشان می‌دهد. سیگنال‌های دریافتی از طریق سیناپس‌هایی که بیشتر روی دندریت‌های عصبی و همچنین روی بدن سلولی قرار دارند، وارد این نورون می‌شوند. برای انواع مختلف نورون‌ها، ممکن است تنها چند صد یا تا ۲۰۰۰۰۰ اتصال سیناپسی از فیبرهای ورودی وجود داشته باشد. در مقابل، سیگنال خروجی از طریق یک آکسون منفرد از نورون خارج می‌شود. سپس، این آکسون ممکن است شاخه‌های جداگانه زیادی به سایر قسمت‌های سیستم عصبی یا بدن محیطی داشته باشد.

A special feature of most synapses is that the signal normally passes only in the forward direction, from the axon of a preceding neuron to dendrites on cell mem- branes of subsequent neurons. This feature forces the signal to travel in required directions to perform specific nervous functions.

ویژگی خاص بیشتر سیناپس‌ها این است که سیگنال معمولاً فقط در جهت جلو، از آکسون یک نورون قبلی به دندریت‌های روی غشای سلولی نورون‌های بعدی عبور می‌کند. این ویژگی سیگنال را مجبور می‌کند تا در جهت‌های مورد نیاز برای انجام عملکردهای عصبی خاص حرکت کند.

SENSORY PART OF THE NERVOUS SYSTEM-SENSORY RECEPTORS

Most activities of the nervous system are initiated by sensory experiences that excite sensory receptors, whether visual receptors in the eyes, auditory receptors in the ears, tactile receptors on the surface of the body, or other types of receptors. These sensory experiences can either cause immediate reactions from the brain, or memories of the experiences can be stored in the brain for minutes, weeks, or years and determine bodily reactions at some future date.

بخش حسی سیستم عصبی – گیرنده‌های حسی

بیشتر فعالیت‌های سیستم عصبی با تجربیات حسی آغاز می‌شوند که گیرنده‌های حسی، اعم از گیرنده‌های بینایی در چشم، گیرنده‌های شنوایی در گوش، گیرنده‌های لمسی روی سطح بدن یا سایر انواع گیرنده‌ها را تحریک می‌کنند. این تجربیات حسی یا می‌توانند واکنش‌های فوری از مغز ایجاد کنند یا خاطرات تجربیات را می‌توان برای دقیقه‌ها، هفته‌ها یا سال‌ها در مغز ذخیره کرد و واکنش‌های بدن را در تاریخ آینده تعیین کرد.

Figure 46-2 shows the somatic portion of the sensory system, which transmits sensory information from the receptors of the entire body surface and from some deep structures. This information enters the central nervous system through peripheral nerves and is con- ducted immediately to multiple sensory areas in (1) the spinal cord at all levels; (2) the reticular substance of the medulla, pons, and mesencephalon of the brain; (3) the cerebellum; (4) the thalamus; and (5) areas of the cerebral cortex.

شکل ۴۶-۲ بخش سوماتیک سیستم حسی را نشان می‌دهد که اطلاعات حسی را از گیرنده‌های کل سطح بدن و برخی از ساختارهای عمیق منتقل می‌کند. این اطلاعات از طریق اعصاب محیطی وارد سیستم عصبی مرکزی می‌شود و بلافاصله به چندین ناحیه حسی در (۱) نخاع در تمام سطوح هدایت می‌شود. (۲) ماده مشبک مدولا، پونز و مزانسفالون مغز. (۳) مخچه؛ (۴) تالاموس؛ و (۵) نواحی قشر مغز.

MOTOR PART OF THE NERVOUS SYSTEM-EFFECTORS

The most important eventual role of the nervous system is to control the various bodily activities. This task is achieved by controlling (1) contraction of appropriate skeletal muscles throughout the body; (2) contraction of smooth muscle in the internal organs; and (3) secretion of active chemical substances by both exocrine and endocrine glands in many parts of the body. These activities are collectively called motor functions of the nervous system, and the muscles and glands are called effectors because they are the actual anatomical structures that perform the functions dictated by the nerve signals.

بخش حرکتی سیستم عصبی-اثرات

مهمترین نقش نهایی سیستم عصبی کنترل فعالیت‌های مختلف بدن است. این وظیفه با کنترل (۱) انقباض عضلات اسکلتی مناسب در سراسر بدن به دست می‌آید. (۲) انقباض ماهیچه صاف در اندام‌های داخلی؛ و (۳) ترشح مواد شیمیایی فعال توسط غدد برون ریز و غدد درون ریز در بسیاری از قسمت‌های بدن. این فعالیت‌ها مجموعاً عملکردهای حرکتی سیستم عصبی نامیده می‌شوند و ماهیچه‌ها و غدد مؤثر نامیده می‌شوند زیرا ساختارهای آناتومیکی واقعی هستند که عملکردهای دیکته شده توسط سیگنال‌های عصبی را انجام می‌دهند.

Figure 46-3 shows the “skeletal” motor nerve axis of the nervous system for controlling skeletal muscle con- traction. Operating parallel to this axis is another system, called the autonomic nervous system, for controlling smooth muscles, glands, and other internal bodily systems; this system is discussed in Chapter 61.

شکل ۴۶-۳ محور عصب حرکتی “اسکلتی” سیستم عصبی را برای کنترل انقباض ماهیچه‌های اسکلتی نشان می‌دهد. موازی با این محور سیستم دیگری به نام سیستم عصبی خودمختار برای کنترل ماهیچه‌های صاف، غدد و سایر سیستم‌های داخلی بدن عمل می‌کند. این سیستم در فصل ۶۱ مورد بحث قرار گرفته است.

Note in Figure 46-3 that the skeletal muscles can be controlled from many levels of the central nervous system, including (1) the spinal cord; (2) the reticular sub- stance of the medulla, pons, and mesencephalon; (3) the basal ganglia; (4) the cerebellum; and (5) the motor cortex. Each of these areas has its own specific role. The lower regions are concerned primarily with automatic, instantaneous muscle responses to sensory stimuli, and the higher regions are concerned with deliberate complex muscle movements controlled by thought processes of the brain.

در شکل ۴۶-۳ توجه داشته باشید که عضلات اسکلتی را می‌توان از سطوح بسیاری از سیستم عصبی مرکزی، از جمله (۱) نخاع کنترل کرد. (۲) ماده مشبک مدولا، پونز و مزانسفالون. (۳) عقده‌های پایه. (۴) مخچه؛ و (۵) قشر حرکتی. هر کدام از این حوزه‌ها نقش خاص خود را دارند. نواحی پایین‌تر عمدتاً مربوط به پاسخ‌های خودکار و آنی ماهیچه‌ها به محرک‌های حسی است و نواحی بالاتر مربوط به حرکات عمدی پیچیده عضلانی است که توسط فرآیندهای فکری مغز کنترل می‌شود.

Figure 46-1.
Structure of a large neuron in the brain showing its important functional parts.

شکل ۴۶-۱.
ساختار یک نورون بزرگ در مغز که بخش‌های عملکردی مهم آن را نشان می‌دهد.

PROCESSING OF INFORMATION— INTEGRATIVE FUNCTION OF THE NERVOUS SYSTEM

One of the most important functions of the nervous system is to process incoming information in such a way that appropriate mental and motor responses will occur. More than 99% of all sensory information is discarded by the brain as irrelevant and unimportant. For example, one is ordinarily unaware of the parts of the body that are in con- tact with clothing, as well as the seat pressure when sitting. Likewise, attention is drawn only to an occasional object in one’s field of vision, and even the perpetual noise of our surroundings is usually relegated to the subconscious.

پردازش اطلاعات – عملکرد یکپارچه سیستم عصبی

یکی از مهمترین وظایف سیستم عصبی پردازش اطلاعات دریافتی به گونه ای است که پاسخ‌های ذهنی و حرکتی مناسبی رخ دهد. بیش از ۹۹ درصد از تمام اطلاعات حسی توسط مغز به عنوان نامربوط و بی اهمیت دور ریخته می‌شود. برای مثال، فرد معمولاً از قسمت‌هایی از بدن که با لباس در تماس است و همچنین فشار صندلی هنگام نشستن بی اطلاع است. به همین ترتیب، توجه فقط به یک شی گاه به گاه در میدان دید فرد جلب می‌شود و حتی سروصدای دائمی‌اطراف ما معمولاً به ناخودآگاه منتقل می‌شود.

However, when important sensory information excites the mind, it is immediately channeled into proper integrative and motor regions of the brain to cause desired responses. This channeling and processing of information is called the integrative function of the nervous system. Thus, if a person places a hand on a hot stove, the desired instantaneous response is to lift the hand. Other associated responses follow, such as moving the entire body away from the stove and perhaps even shouting with pain.

با این حال، هنگامی‌که اطلاعات حسی مهم ذهن را تحریک می‌کند، بلافاصله به مناطق یکپارچه و حرکتی مناسب مغز هدایت می‌شود تا پاسخ‌های مورد نظر را ایجاد کند. این انتقال و پردازش اطلاعات، عملکرد یکپارچه سیستم عصبی نامیده می‌شود. بنابراین، اگر شخصی دست خود را روی اجاق گاز داغ قرار دهد، پاسخ آنی مورد نظر بلند کردن دست است. واکنش‌های مرتبط دیگری مانند دور کردن کل بدن از اجاق گاز و شاید حتی فریاد زدن همراه با درد، دنبال می‌شوند.

Figure 46-2.
Somatosensory axis of the nervous system.

شکل ۴۶-۲.
محور حسی جسمی‌سیستم عصبی.

ROLE OF SYNAPSES IN PROCESSING INFORMATION

The synapse is the junction point from one neuron to the next. Later in this chapter, we discuss the details of synaptic function. However, it is important to note here that synapses determine the directions that the nervous signals will spread through the nervous system. Some syn- apses transmit signals from one neuron to the next with ease, whereas others transmit signals only with difficulty. Also, facilitatory and inhibitory signals from other areas in the nervous system can control synaptic transmission, sometimes opening the synapses for transmission and, at other times, closing them. In addition, some postsynaptic neurons respond with large numbers of output impulses, and others respond with only a few. Thus, the synapses perform a selective action, often blocking weak signals while allowing strong signals to pass but, at other times, selecting and amplifying certain weak signals and often channeling these signals in many directions rather than in only one direction.

نقش سیناپس‌ها در پردازش اطلاعات

سیناپس نقطه اتصال یک نورون به نورون بعدی است. در ادامه این فصل به جزئیات عملکرد سیناپسی می‌پردازیم. با این حال، در اینجا ذکر این نکته مهم است که سیناپس‌ها مسیرهایی را تعیین می‌کنند که سیگنال‌های عصبی از طریق سیستم عصبی پخش می‌شوند. برخی از سیناپس‌ها سیگنال‌ها را از یک نورون به نورون بعدی به راحتی منتقل می‌کنند، در حالی که برخی دیگر سیگنال‌ها را به سختی منتقل می‌کنند. همچنین سیگنال‌های تسهیل‌کننده و بازدارنده از سایر نواحی در سیستم عصبی می‌توانند انتقال سیناپسی را کنترل کنند، گاهی اوقات سیناپس‌ها را برای انتقال باز می‌کنند و در مواقع دیگر آنها را می‌بندند. علاوه بر این، برخی از نورون‌های پس سیناپسی با تعداد زیادی تکانه خروجی پاسخ می‌دهند و برخی دیگر تنها با تعداد کمی‌پاسخ می‌دهند. بنابراین، سیناپس‌ها یک عمل انتخابی را انجام می‌دهند، اغلب سیگنال‌های ضعیف را مسدود می‌کنند در حالی که به سیگنال‌های قوی اجازه عبور می‌دهند، اما در مواقع دیگر، سیگنال‌های ضعیف خاصی را انتخاب و تقویت می‌کنند و اغلب این سیگنال‌ها را در جهات مختلف به جای یک جهت هدایت می‌کنند.

Figure 46-3.
Skeletal motor nerve axis of the nervous system.

شکل ۴۶-۳.
محور عصب حرکتی اسکلتی سیستم عصبی.

STORAGE OF INFORMATION-MEMORY

Only a small fraction of even the most important sensory information usually causes immediate motor response. However, much of the information is stored for future control of motor activities and for use in the thinking processes. Most storage occurs in the cerebral cortex, but even the basal regions of the brain and the spinal cord can store small amounts of information.

ذخیره سازی اطلاعات-حافظه

تنها بخش کوچکی از حتی مهم ترین اطلاعات حسی معمولاً باعث پاسخ حرکتی فوری می‌شود. با این حال، بسیاری از اطلاعات برای کنترل آینده فعالیت‌های حرکتی و برای استفاده در فرآیندهای تفکر ذخیره می‌شود. بیشتر ذخیره سازی در قشر مغز اتفاق می‌افتد، اما حتی نواحی پایه مغز و نخاع می‌توانند مقادیر کمی‌از اطلاعات را ذخیره کنند.

The storage of information is the process we call memory, which is also a function of the synapses. Each time certain types of sensory signals pass through sequences of synapses, these synapses become more capable of trans- mitting the same type of signal the next time, a process called facilitation. After the sensory signals have passed through the synapses a large number of times, the syn- apses become so facilitated that signals generated within the brain itself can also cause transmission of impulses through the same sequences of synapses, even when the sensory input is not excited. This process gives the person a perception of experiencing the original sensations, although the perceptions are only memories of the sensations.

ذخیره سازی اطلاعات فرآیندی است که ما آن را حافظه می‌نامیم که تابعی از سیناپس‌ها نیز می‌باشد. هر بار که انواع خاصی از سیگنال‌های حسی از توالی سیناپس‌ها عبور می‌کنند، این سیناپس‌ها توانایی بیشتری در انتقال همان نوع سیگنال در دفعه بعد پیدا می‌کنند، فرآیندی که تسهیل نامیده می‌شود. پس از اینکه سیگنال‌های حسی بارها از سیناپس‌ها عبور کردند، سیناپس‌ها چنان تسهیل می‌شوند که سیگنال‌های تولید شده در خود مغز نیز می‌توانند باعث انتقال تکانه‌ها از طریق همان توالی سیناپس‌ها شوند، حتی زمانی که ورودی حسی برانگیخته نیست. این فرآیند درک تجربه احساسات اولیه را به فرد می‌دهد، اگرچه ادراکات فقط خاطراتی از احساسات هستند.

The precise mechanisms whereby long-term facilitation of synapses occurs in the memory process are still uncertain, but what is known about this and other details of the sensory memory process are discussed in Chapter 58.

مکانیسم‌های دقیقی که به موجب آن تسهیل طولانی‌مدت سیناپس‌ها در فرآیند حافظه اتفاق می‌افتد هنوز نامشخص است، اما آنچه در مورد این و سایر جزئیات فرآیند حافظه حسی شناخته شده است در فصل ۵۸ مورد بحث قرار می‌گیرد.

Once memories have been stored in the nervous system, they become part of the brain processing mechanism for future “thinking” That is, the thinking processes of the brain compare new sensory experiences with stored memories; the memories then help select the important new sensory information and channel this into appropriate memory storage areas for future use or into motor areas to cause immediate bodily responses.

هنگامی‌که خاطرات در سیستم عصبی ذخیره می‌شوند، بخشی از مکانیسم پردازش مغز برای “تفکر” آینده می‌شوند، یعنی فرآیندهای فکری مغز تجربیات حسی جدید را با خاطرات ذخیره شده مقایسه می‌کنند. سپس خاطرات به انتخاب اطلاعات مهم حسی جدید کمک می‌کنند و آن را به مناطق ذخیره حافظه مناسب برای استفاده در آینده یا به مناطق حرکتی هدایت می‌کنند تا واکنش‌های فوری بدن ایجاد کنند.

MAJOR LEVELS OF CENTRAL NERVOUS SYSTEM FUNCTION

The human nervous system has inherited special functional capabilities from each stage of human evolutionary development. From this heritage, three major levels of the central nervous system have specific functional characteristics: (1) the spinal cord level; (2) the lower brain or subcortical level; and (3) the higher brain or cortical level.

سطوح اصلی عملکرد سیستم عصبی مرکزی

سیستم عصبی انسان از هر مرحله از رشد تکاملی انسان قابلیت‌های عملکردی خاصی را به ارث برده است. از این میراث، سه سطح عمده از سیستم عصبی مرکزی دارای ویژگی‌های عملکردی خاص است: (۱) سطح نخاع. (۲) سطح پایین مغز یا زیر قشری. و (۳) سطح بالاتر مغز یا قشر مغز.

SPINAL CORD LEVEL

We often think of the spinal cord as being only a conduit for signals from the periphery of the body to the brain or in the opposite direction from the brain back to the body. This supposition is far from the truth. Even after the spinal cord has been cut in the high neck region, many highly organized spinal cord functions still occur. For example, neuronal circuits in the cord can cause (1) walking movements; (2) reflexes that withdraw portions of the body away from painful objects; (3) reflexes that stiffen the legs to support the body against gravity; and (4) reflexes that control local blood vessels, gastrointestinal movements, or urinary excretion. In fact, the upper levels of the nervous system often operate not by sending signals directly to the periphery of the body, but by sending signals to the control centers of the cord, simply “commanding” the cord centers to perform their functions.

سطح نخاع

ما اغلب تصور می‌کنیم که نخاع تنها مجرای سیگنال‌هایی است که از حاشیه بدن به مغز یا در جهت مخالف از مغز به بدن باز می‌گردد. این فرض دور از واقعیت است. حتی پس از بریده شدن نخاع در ناحیه بالای گردن، بسیاری از عملکردهای بسیار سازمان یافته نخاع همچنان رخ می‌دهد. به عنوان مثال، مدارهای عصبی در بند ناف می‌توانند (۱) حرکات راه رفتن را ایجاد کنند. (۲) رفلکس‌هایی که بخش‌هایی از بدن را از اشیاء دردناک دور می‌کند. (۳) رفلکس‌هایی که پاها را سفت می‌کنند تا بدن را در برابر گرانش حمایت کنند. و (۴) رفلکس‌هایی که رگ‌های خونی موضعی، حرکات گوارشی یا دفع ادرار را کنترل می‌کنند. در واقع، سطوح بالای سیستم عصبی اغلب نه با ارسال سیگنال‌ها به طور مستقیم به اطراف بدن، بلکه با ارسال سیگنال‌ها به مراکز کنترل بند ناف عمل می‌کنند و به سادگی به مراکز بند ناف دستور می‌دهند تا وظایف خود را انجام دهند.

LOWER BRAIN OR SUBCORTICAL LEVEL

Many, if not most, of what we call subconscious activities of the body are controlled in the lower areas of the brain-that is, in the medulla, pons, mesencephalon, hypothalamus, thalamus, cerebellum, and basal ganglia. For example, subconscious control of arterial pressure and respiration is achieved mainly in the medulla and pons. Control of equilibrium is a combined function of the older portions of the cerebellum and the reticular sub- stance of the medulla, pons, and mesencephalon. Feeding reflexes, such as salivation and licking the lips in response to the taste of food, are controlled by areas in the medulla, pons, mesencephalon, amygdala, and hypothalamus. In addition, many emotional patterns, such as anger, excitement, sexual response, reaction to pain, and reaction to pleasure, can still occur after destruction of much of the cerebral cortex.

سطح پایین مغز یا زیر قشر مغز

بسیاری از فعالیت‌های ناخودآگاه بدن، اگر نه بیشتر، در نواحی تحتانی مغز کنترل می‌شوند، یعنی در مدولا، پونز، مزانسفالون، هیپوتالاموس، تالاموس، مخچه و عقده‌های قاعده‌ای. به عنوان مثال، کنترل ناخودآگاه فشار شریانی و تنفس عمدتاً در مدولا و پونز به دست می‌آید. کنترل تعادل یک عملکرد ترکیبی از بخش‌های قدیمی‌تر مخچه و ماده شبکه‌ای مدولا، پونز و مزانسفالون است. رفلکس‌های تغذیه، مانند ترشح بزاق و لیسیدن لب‌ها در پاسخ به طعم غذا، توسط نواحی در مدولا، پونز، مزانسفالون، آمیگدال و هیپوتالاموس کنترل می‌شوند. علاوه بر این، بسیاری از الگوهای احساسی، مانند خشم، هیجان، پاسخ جنسی، واکنش به درد، و واکنش به لذت، همچنان می‌توانند پس از تخریب قسمت اعظم قشر مغز رخ دهند.

HIGHER BRAIN OR CORTICAL LEVEL

After the preceding account of the many nervous system functions that occur at the cord and lower brain levels, one may ask, “what is left for the cerebral cortex to do?” The answer to this question is complex, but it begins with the fact that the cerebral cortex is an extremely large memory storehouse. The cortex never functions alone but always in association with lower centers of the nervous system.

سطح بالای مغز یا قشر مغز

پس از شرح قبلی در مورد بسیاری از عملکردهای سیستم عصبی که در بند ناف و سطوح پایین‌تر مغز رخ می‌دهند، ممکن است بپرسیم که “چه کاری برای قشر مغز باقی مانده است؟” پاسخ به این سوال پیچیده است، اما با این واقعیت شروع می‌شود که قشر مغز یک انبار حافظه بسیار بزرگ است. قشر مغز هرگز به تنهایی عمل نمی‌کند بلکه همیشه در ارتباط با مراکز تحتانی سیستم عصبی است.

Without the cerebral cortex, the functions of the lower brain centers are often imprecise. The vast storehouse of cortical information usually converts these functions to determinative and precise operations.

بدون قشر مغز، عملکرد مراکز تحتانی مغز اغلب نادقیق است. انبار وسیع اطلاعات قشر مغز معمولاً این عملکردها را به عملیات تعیین کننده و دقیق تبدیل می‌کند.

Finally, the cerebral cortex is essential for most of our thought processes, but it cannot function by itself. In fact, it is the lower brain centers, not the cortex, that initiate wakefulness in the cerebral cortex, thereby opening its bank of memories to the thinking machinery of the brain. Thus, each portion of the nervous system performs specific functions, but it is the cortex that opens a world of stored information for use by the mind.

در نهایت، قشر مغز برای اکثر فرآیندهای فکری ما ضروری است، اما به خودی خود نمی‌تواند کار کند. در واقع، این مراکز تحتانی مغز هستند و نه قشر مغز، که بیداری را در قشر مغز آغاز می‌کنند و در نتیجه بانک حافظه آن را به روی ماشین فکری مغز باز می‌کنند. بنابراین، هر بخش از سیستم عصبی عملکردهای خاصی را انجام می‌دهد، اما این قشر است که دنیایی از اطلاعات ذخیره شده را برای استفاده ذهن باز می‌کند.

COMPARISON OF THE NERVOUS SYSTEM TO A COMPUTER

It is readily apparent that computers have many features in common with the nervous system. First, all computers have input circuits that can be compared with the sensory portion of the nervous system, as well as output circuits that are analogous to the motor portion of the nervous system.

مقایسه سیستم عصبی با کامپیوتر

به آسانی آشکار است که رایانه‌ها دارای ویژگی‌های مشترک بسیاری با سیستم عصبی هستند. اولاً، همه رایانه‌ها دارای مدارهای ورودی هستند که می‌توانند با بخش حسی سیستم عصبی مقایسه شوند، همچنین مدارهای خروجی مشابه با بخش حرکتی سیستم عصبی هستند.

In simple computers, the output signals are con- trolled directly by the input signals, operating in a manner similar to that of simple reflexes of the spinal cord. In more complex computers, the output is determined by input signals and by information that has already been stored in memory in the computer, which is analogous to the more complex reflex and processing mechanisms of the human higher nervous system. Furthermore, as computers become even more complex, it is necessary to add still another unit, called the central processing unit, which determines the sequence of all operations. This unit is analogous to the control mechanisms in the brain that direct a person’s attention first to one thought or sensation or motor activity, then to another, and so forth, until complex sequences of thought or action take place.

در رایانه‌های ساده، سیگنال‌های خروجی مستقیماً توسط سیگنال‌های ورودی کنترل می‌شوند و به شیوه‌ای شبیه به بازتاب‌های ساده نخاع عمل می‌کنند. در رایانه‌های پیچیده‌تر، خروجی توسط سیگنال‌های ورودی و اطلاعاتی که قبلاً در حافظه در رایانه ذخیره شده‌اند تعیین می‌شود، که مشابه مکانیسم‌های پیچیده‌تر بازتابی و پردازشی سیستم عصبی بالاتر انسان است. علاوه بر این، با پیچیده‌تر شدن رایانه‌ها، لازم است واحد دیگری به نام واحد پردازش مرکزی اضافه شود که توالی همه عملیات را تعیین می‌کند. این واحد مشابه مکانیسم‌های کنترلی در مغز است که توجه فرد را ابتدا به یک فکر یا احساس یا فعالیت حرکتی، سپس به دیگری و غیره معطوف می‌کند تا زمانی که توالی‌های پیچیده ای از فکر یا عمل رخ دهد.

Figure 46-4 is a simple block diagram of a computer. Even a rapid study of this diagram demonstrates its similarity to the nervous system. The fact that the basic com- ponents of the general purpose computer are analogous to those of the human nervous system demonstrates that the brain has many features of a computer, continuously collecting sensory information and using this, along with stored information, to compute the daily course of bodily activity.

شکل ۴۶-۴ یک بلوک دیاگرام ساده از یک کامپیوتر است. حتی مطالعه سریع این نمودار شباهت آن را به سیستم عصبی نشان می‌دهد. این واقعیت که اجزای اساسی رایانه با هدف عمومی‌مشابه اجزای سیستم عصبی انسان است، نشان می‌دهد که مغز دارای بسیاری از ویژگی‌های رایانه است که به طور مداوم اطلاعات حسی را جمع‌آوری می‌کند و از آن، همراه با اطلاعات ذخیره‌شده، برای محاسبه دوره روزانه فعالیت بدنی استفاده می‌کند.

Figure 46-4.
Block diagram of a general-purpose computer showing the basic components and their interrelations.

شکل ۴۶-۴.
بلوک دیاگرام یک کامپیوتر همه منظوره که اجزای اصلی و روابط متقابل آنها را نشان می‌دهد.

CENTRAL NERVOUS SYSTEM SYNAPSES

Information is transmitted in the central nervous system mainly in the form of nerve action potentials, called nerve impulses, through a succession of neurons, one after another. However, each impulse (1) may be blocked in its transmission from one neuron to the next; (2) may be changed from a single impulse into repetitive impulses; or (3) may be integrated with impulses from other neurons to cause highly intricate patterns of impulses in successive neurons. All these functions can be classified as synaptic functions of neurons.

سیناپس‌های سیستم عصبی مرکزی

اطلاعات در سیستم عصبی مرکزی عمدتاً به شکل پتانسیل‌های عمل عصبی به نام تکانه‌های عصبی از طریق توالی نورون‌ها یکی پس از دیگری منتقل می‌شود. با این حال، هر تکانه (۱) ممکن است در انتقال خود از یک نورون به نورون دیگر مسدود شود. (۲) ممکن است از یک تکانه به تکانه‌های تکراری تبدیل شود. یا (۳) ممکن است با تکانه‌های سایر نورون‌ها ادغام شود تا الگوهای بسیار پیچیده ای از تکانه‌ها را در نورون‌های متوالی ایجاد کند. همه این توابع را می‌توان به عنوان عملکردهای سیناپسی نورون‌ها طبقه بندی کرد.

TYPES OF SYNAPSES-CHEMICAL AND ELECTRICAL

There are two major types of synapses (Figure 46-5)—(۱) chemical and (2) electrical.

انواع سیناپس-شیمیایی و الکتریکی

دو نوع عمده سیناپس وجود دارد (شکل ۴۶-۵) – (۱) شیمیایی و (۲) الکتریکی.

Most of the synapses used for signal transmission in the central nervous system of the human being are chemical synapses. In these synapses, the first neuron secretes at its nerve ending synapse a chemical substance called a neurotransmitter (often called a transmitter substance), and this transmitter in turn acts on receptor proteins in the membrane of the next neuron to excite the neuron, inhibit it, or modify its sensitivity in some other way (Video 46-1). More than 50 important neurotransmitters have been discovered thus far. Some of the best known are acetylcholine, norepinephrine, epinephrine, histamine, gamma-aminobutyric acid (GABA), glycine, serotonin, and glutamate.

بیشتر سیناپس‌هایی که برای انتقال سیگنال در سیستم عصبی مرکزی انسان استفاده می‌شوند، سیناپس‌های شیمیایی هستند. در این سیناپس‌ها، اولین نورون در سیناپس انتهای عصبی خود ماده شیمیایی به نام انتقال دهنده عصبی (که اغلب به آن ماده فرستنده می‌گویند) ترشح می‌کند و این فرستنده نیز به نوبه خود بر روی پروتئین‌های گیرنده در غشای نورون بعدی عمل می‌کند تا نورون را تحریک کند، آن را مهار کند یا حساسیت آن را به روش دیگری تغییر دهد (ویدئو ۴۶-۱۱). بیش از ۵۰ انتقال دهنده عصبی مهم تاکنون کشف شده است. برخی از شناخته شده ترین آنها عبارتند از: استیل کولین، نوراپی نفرین، اپی نفرین، هیستامین، گاما آمینوبوتیریک اسید (GABA)، گلیسین، سروتونین و گلوتامات.

In electrical synapses, the cytoplasms of adjacent cells are directly connected by clusters of ion channels called gap junctions that allow free movement of ions from the interior of one cell to the interior of the next cell. Such junctions were discussed in Chapter 4, and it is by way of gap junctions and other similar junctions that action potentials are transmitted from one smooth muscle fiber to the next in visceral smooth muscle (Chapter 8) and from one cardiac muscle cell to the next in cardiac muscle (Chapter 9).

در سیناپس‌های الکتریکی، سیتوپلاسم‌های سلول‌های مجاور مستقیماً توسط خوشه‌هایی از کانال‌های یونی به نام اتصالات شکاف به هم متصل می‌شوند که اجازه حرکت آزادانه یون‌ها را از داخل یک سلول به داخل سلول بعدی می‌دهند. چنین اتصالاتی در فصل ۴ مورد بحث قرار گرفت و از طریق اتصالات شکاف و سایر اتصالات مشابه است که پتانسیل عمل از یک فیبر عضله صاف به فیبر بعدی در ماهیچه صاف احشایی (فصل ۸) و از یک سلول عضله قلبی به سلول دیگر در عضله قلب (فصل ۹) منتقل می‌شود.

Although most synapses in the brain are chemical, electrical and chemical synapses may coexist and interact in the central nervous system. The bidirectional transmission of electrical synapses permits them to help coordinate the activities of large groups of interconnected neurons. For example, electrical synapses are useful in detecting the coincidence of simultaneous subthreshold depolarizations within a group of interconnected neurons; this enables increased neuronal sensitivity and promotes synchronous firing of a group of interconnected neurons.

اگرچه اکثر سیناپس‌های مغز شیمیایی هستند، سیناپس‌های الکتریکی و شیمیایی ممکن است در سیستم عصبی مرکزی همزیستی داشته باشند و برهم کنش داشته باشند. انتقال دو طرفه سیناپس‌های الکتریکی به آنها اجازه می‌دهد تا به هماهنگی فعالیت‌های گروه‌های بزرگی از نورون‌های به هم پیوسته کمک کنند. به عنوان مثال، سیناپس‌های الکتریکی در تشخیص همزمانی دپلاریزاسیون زیرآستانه ای همزمان در یک گروه از نورون‌های به هم پیوسته مفید هستند. این باعث افزایش حساسیت عصبی می‌شود و شلیک همزمان گروهی از نورون‌های به هم پیوسته را ترویج می‌کند.

Figure 46-5.
Physiologic anatomy of (A) chemical synapse and (B) electrical synapse.

شکل ۴۶-۵.
آناتومی‌فیزیولوژیکی (A) سیناپس شیمیایی و (B) سیناپس الکتریکی.

“One-Way” Conduction at Chemical Synapses. Chemical synapses have one exceedingly important characteristic that makes them highly desirable for transmitting nervous system signals. This characteristic is that they always transmit the signals in one direction—that is, from the neuron that secretes the neurotransmitter, called the presynaptic neuron, to the neuron on which the transmitter acts, called the postsynaptic neuron. This phenomenon is the principle of one-way conduction at chemical synapses, and it is different from conduction through electrical synapses, which often transmit signals in either direction.

هدایت “یک طرفه” در سیناپس‌های شیمیایی. سیناپس‌های شیمیایی یک ویژگی بسیار مهم دارند که آنها را برای انتقال سیگنال‌های سیستم عصبی بسیار مطلوب می‌کند. این ویژگی این است که آنها همیشه سیگنال‌ها را در یک جهت منتقل می‌کنند – یعنی از نورونی که انتقال دهنده عصبی به نام نورون پیش سیناپسی را ترشح می‌کند، به نورونی که فرستنده روی آن عمل می‌کند، به نام نورون پس سیناپسی. این پدیده اصل هدایت یک طرفه در سیناپس‌های شیمیایی است و با هدایت از طریق سیناپس‌های الکتریکی که اغلب سیگنال‌ها را در هر جهت ارسال می‌کنند متفاوت است.

A one-way conduction mechanism allows signals to be directed toward specific goals. Indeed, it is this specific transmission of signals to discrete and highly focused areas both within the nervous system and at the terminals of the peripheral nerves that allows the nervous system to perform its myriad functions of sensation, motor control, memory, and many other functions.

مکانیزم هدایت یک طرفه اجازه می‌دهد تا سیگنال‌ها به سمت اهداف خاصی هدایت شوند. در واقع، این انتقال خاص سیگنال‌ها به نواحی گسسته و بسیار متمرکز، هم در داخل سیستم عصبی و هم در انتهای اعصاب محیطی است که به سیستم عصبی اجازه می‌دهد تا عملکردهای بی‌شمار حس، کنترل حرکتی، حافظه و بسیاری عملکردهای دیگر را انجام دهد.

PHYSIOLOGIC ANATOMY OF THE SYNAPSE

Figure 46-6 shows a typical anterior motor neuron in the anterior horn of the spinal cord. It is composed of three major parts-the soma, which is the main body of the neuron, a single axon, which extends from the soma into a peripheral nerve that leaves the spinal cord, and dendrites, which are great numbers of branching projections of the soma that extend as much as 1 millimeter into the surrounding areas of the cord.

آناتومی‌فیزیولوژیکی سیناپس

شکل ۴۶-۶ یک نورون حرکتی قدامی‌معمولی در شاخ قدامی‌نخاع را نشان می‌دهد. از سه بخش اصلی تشکیل شده است: سوما که بدنه اصلی نورون است، یک آکسون منفرد که از سوما به عصب محیطی که نخاع را ترک می‌کند امتداد می‌یابد و دندریت‌ها که تعداد زیادی از برآمدگی‌های انشعاب سوما هستند که تا ۱ میلی متر در نواحی اطراف طناب امتداد دارند.

As many as 10,000 to 200,000 minute synaptic knobs called presynaptic terminals lie on the surfaces of the dendrites and soma of the motor neuron, with about 80% to 95% of them on the dendrites and only 5% to 20% on the soma. These presynaptic terminals are the ends of nerve fibrils that originate from many other neurons. Many of these presynaptic terminals are excitatory—that is, they secrete a neurotransmitter that excites the postsynaptic neuron. However, other presynaptic terminals are inhibitory-that is, they secrete a neurotransmitter that inhibits the postsynaptic neuron.

حدود ۱۰۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰۰ دستگیره سیناپسی به نام پایانه‌های پیش سیناپسی روی سطوح دندریت‌ها و سومای نورون حرکتی قرار دارند که حدود ۸۰ تا ۹۵ درصد آنها روی دندریت‌ها و تنها ۵ تا ۲۰ درصد روی سوما قرار دارند. این پایانه‌های پیش سیناپسی انتهای فیبریل‌های عصبی هستند که از بسیاری از نورون‌های دیگر سرچشمه می‌گیرند. بسیاری از این پایانه‌های پیش سیناپسی تحریکی هستند، یعنی یک انتقال دهنده عصبی ترشح می‌کنند که نورون پس سیناپسی را تحریک می‌کند. با این حال، سایر پایانه‌های پیش سیناپسی مهاری هستند، یعنی یک انتقال دهنده عصبی ترشح می‌کنند که نورون پس سیناپسی را مهار می‌کند.

Neurons in other parts of the cord and brain differ from the anterior motor neuron in (1) the size of the cell body; (2) the length, size, and number of dendrites, ranging in length from almost zero to many centimeters; (3) the length and size of the axon; and (4) the number of presynaptic terminals, which may range from only a few to as many as 200,000. These differences make neurons in various parts of the nervous system react differently to incoming synaptic signals and, therefore, perform many different functions.

نورون‌ها در سایر قسمت‌های بند ناف و مغز با نورون حرکتی قدامی‌در (۱) اندازه بدن سلولی متفاوت هستند. (۲) طول، اندازه، و تعداد دندریت‌ها، از طول تقریباً صفر تا چندین سانتی‌متر. (۳) طول و اندازه آکسون. و (۴) تعداد پایانه‌های پیش سیناپسی که ممکن است از چند تا ۲۰۰۰۰۰ متغیر باشد. این تفاوت‌ها باعث می‌شود که نورون‌ها در بخش‌های مختلف سیستم عصبی به سیگنال‌های سیناپسی ورودی متفاوت واکنش نشان دهند و بنابراین، عملکردهای مختلفی را انجام دهند.

Presynaptic Terminals. Electron microscopic studies of the presynaptic terminals show that they have varied anatomical forms, but most of them resemble small round or oval knobs and therefore are sometimes called terminal knobs, boutons, end-feet, or synaptic knobs.

پایانه‌های پیش سیناپسی. مطالعات میکروسکوپی الکترونی پایانه‌های پیش سیناپسی نشان می‌دهد که آنها دارای اشکال تشریحی متنوعی هستند، اما بیشتر آنها شبیه دستگیره‌های کوچک گرد یا بیضی شکل هستند و به همین دلیل گاهی اوقات دستگیره‌های انتهایی، بوتون، انتهای انتهایی یا دستگیره‌های سیناپسی نامیده می‌شوند.

Figure 46-5A illustrates the basic structure of a chemical synapse, showing a single presynaptic terminal on the membrane surface of a postsynaptic neuron. The presynaptic terminal is separated from the postsynaptic neuronal soma by a synaptic cleft usually 200 to 300 angstroms (Å) wide. The terminal has two internal structures important to the excitatory or inhibitory function of the syn- apse: the transmitter vesicles and the mitochondria. The transmitter vesicles contain the neurotransmitter that when released into the synaptic cleft, excites or inhibits the postsynaptic neuron. It excites the postsynaptic neuron if the neuronal membrane contains excitatory receptors, and it inhibits the neuron if the membrane contains inhibitory receptors. The mitochondria provide adenosine triphosphate (ATP), which in turn supplies the energy for synthesizing new transmitter substances.

شکل ۴۶-5A ساختار پایه یک سیناپس شیمیایی را نشان می‌دهد که یک پایانه پیش سیناپسی را روی سطح غشای یک نورون پس سیناپسی نشان می‌دهد. پایانه پیش سیناپسی با یک شکاف سیناپسی معمولاً به عرض ۲۰۰ تا ۳۰۰ آنگستروم (Å) از سومای عصبی پس سیناپسی جدا می‌شود. پایانه دارای دو ساختار داخلی است که برای عملکرد تحریکی یا مهاری سیناپس مهم است: وزیکول‌های فرستنده و میتوکندری. وزیکول‌های فرستنده حاوی انتقال دهنده عصبی هستند که وقتی در شکاف سیناپسی آزاد می‌شوند، نورون پس سیناپسی را تحریک یا مهار می‌کنند. اگر غشای عصبی حاوی گیرنده‌های تحریک کننده باشد، نورون پس سیناپسی را تحریک می‌کند و اگر غشاء حاوی گیرنده‌های بازدارنده باشد، نورون را مهار می‌کند. میتوکندری‌ها آدنوزین تری فسفات (ATP) را تولید می‌کنند که به نوبه خود انرژی لازم برای سنتز مواد فرستنده جدید را تامین می‌کند.

When an action potential spreads over a presynaptic terminal, depolarization of its membrane causes a small number of vesicles to empty into the cleft. The released transmitter in turn binds to a receptor on the postsynaptic neuronal membrane, causing an immediate change in its permeability characteristics and leading to excitation or inhibition of the postsynaptic neuron, depending on the neuronal receptor characteristics.

هنگامی‌که یک پتانسیل عمل روی یک پایانه پیش سیناپسی گسترش می‌یابد، دپلاریزاسیون غشاء آن باعث می‌شود تعداد کمی‌از وزیکول‌ها به داخل شکاف تخلیه شوند. فرستنده آزاد شده به نوبه خود به گیرنده ای در غشای عصبی پس سیناپسی متصل می‌شود و باعث تغییر فوری در ویژگی‌های نفوذپذیری آن می‌شود و بسته به ویژگی‌های گیرنده عصبی منجر به تحریک یا مهار نورون پس سیناپسی می‌شود.

Figure 46-6.
Typical anterior motor neuron showing presynaptic terminals on the neuronal soma and dendrites. Note also the single axon.

شکل ۴۶-۶.
نورون حرکتی قدامی‌معمولی که پایانه‌های پیش سیناپسی را روی سوما و دندریت‌های عصبی نشان می‌دهد. به تک آکسون نیز توجه کنید.

Transmitter Release From Presynaptic Terminals Role of Calcium lons

The membrane of the presynaptic terminal is called the presynaptic membrane. It contains large numbers of voltage-gated calcium channels. When an action potential depolarizes the presynaptic membrane, these calcium channels open and allow large numbers of calcium ions to flow into the terminal (Figure 46-5A). The quantity of neurotransmitter that is then released from the terminal into the synaptic cleft is directly related to the number of calcium ions that enter (Video 46-2). The precise mechanism whereby the calcium ions cause this release is not known, but it is believed to be the following.

انتشار فرستنده از پایانه‌های پیش سیناپسی نقش کلسیم lons

غشای پایانه پیش سیناپسی را غشای پیش سیناپسی می‌گویند. این شامل تعداد زیادی کانال کلسیمی‌با ولتاژ است. هنگامی‌که یک پتانسیل عمل غشای پیش سیناپسی را دپلاریزه می‌کند، این کانال‌های کلسیمی‌باز می‌شوند و به تعداد زیادی از یون‌های کلسیم اجازه می‌دهند که به سمت پایانه جریان پیدا کنند (شکل ۴۶-5A). مقدار انتقال دهنده عصبی که سپس از پایانه به شکاف سیناپسی آزاد می‌شود مستقیماً با تعداد یون‌های کلسیمی‌که وارد می‌شوند مرتبط است (ویدئو ۴۶-۲). مکانیسم دقیقی که در آن یون‌های کلسیم باعث این آزاد شدن می‌شوند شناخته نشده است، اما اعتقاد بر این است که به شرح زیر است.

When the calcium ions enter the presynaptic terminal, they bind with special protein molecules on the inside surface of the presynaptic membrane, called release sites. This binding in turn causes the release sites to open through the membrane, allowing a few transmitter vesicles to release their transmitter into the cleft after each single action potential. For the vesicles that store the neu- rotransmitter acetylcholine, between 2,000 and 10,000 molecules of acetylcholine are present in each vesicle, and there are enough vesicles in the presynaptic terminal to transmit from a few hundred to more than 10,000 action potentials.

هنگامی‌که یون‌های کلسیم وارد پایانه پیش سیناپسی می‌شوند، با مولکول‌های پروتئینی ویژه در سطح داخلی غشای پیش سیناپسی، به نام مکان‌های رهاسازی، متصل می‌شوند. این اتصال به نوبه خود باعث می‌شود که محل‌های رهاسازی از طریق غشاء باز شوند و به چند وزیکول فرستنده اجازه می‌دهد تا فرستنده خود را پس از هر پتانسیل عمل منفرد در شکاف آزاد کنند. برای وزیکول‌هایی که استیل کولین انتقال دهنده عصبی را ذخیره می‌کنند، بین ۲۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ مولکول استیل کولین در هر وزیکول وجود دارد و وزیکول‌های کافی در پایانه پیش سیناپسی برای انتقال از چند صد تا بیش از ۱۰۰۰۰ پتانسیل عمل وجود دارد.

Transmitter Actions on Postsynaptic Neurons-Function of Receptor Proteins

The membrane of the postsynaptic neuron contains large numbers of receptor proteins, also shown in Figure 46- 5A. The molecules of these receptors have two important components: (1) a binding component that protrudes out- ward from the membrane into the synaptic cleft, where it binds the neurotransmitter coming from the presynaptic terminal; and (2) an intracellular component that passes all the way through the postsynaptic membrane to the interior of the postsynaptic neuron.

اقدامات فرستنده بر روی نورون‌های پس سیناپسی – عملکرد پروتئین‌های گیرنده

غشای نورون پس سیناپسی حاوی تعداد زیادی پروتئین گیرنده است که در شکل ۴۶-5A نیز نشان داده شده است. مولکول‌های این گیرنده‌ها دو جزء مهم دارند: (۱) یک جزء اتصال که به بیرون از غشاء به شکاف سیناپسی بیرون زده، جایی که انتقال‌دهنده عصبی را که از پایانه پیش‌سیناپسی می‌آید، متصل می‌کند. و (۲) یک جزء درون سلولی که تمام راه را از طریق غشای پس سیناپسی به داخل نورون پس سیناپسی می‌گذراند.

Receptor activation controls the opening of ion channels in the postsynaptic cell in one of two ways: (1) by gating ion channels directly and allowing passage of specified types of ions through the membrane; or (2) by activating a “second messenger” that is not an ion channel but, instead, is a molecule that protrudes into the cell cytoplasm and activates one or more substances inside the postsynaptic neuron. These second messengers increase or decrease specific cellular functions.

فعال‌سازی گیرنده باز شدن کانال‌های یونی در سلول پس سیناپسی را به یکی از دو روش کنترل می‌کند: (۱) با دریچه‌سازی مستقیم کانال‌های یونی و اجازه عبور انواع مشخصی از یون‌ها از غشاء. یا (۲) با فعال کردن یک “پیام رسان دوم” که یک کانال یونی نیست، بلکه در عوض، مولکولی است که به داخل سیتوپلاسم سلولی بیرون زده و یک یا چند ماده را در داخل نورون پس سیناپسی فعال می‌کند. این پیام رسان‌های دوم عملکردهای خاص سلولی را افزایش یا کاهش می‌دهند.

Neurotransmitter receptors that directly gate ion channels are often called ionotropic receptors, whereas those that act through second messenger systems are called metabotropic receptors.

گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی که مستقیماً کانال‌های یونی را راه‌اندازی می‌کنند، اغلب گیرنده‌های یونوتروپیک نامیده می‌شوند، در حالی که گیرنده‌هایی که از طریق سیستم‌های پیام‌رسان دوم عمل می‌کنند، گیرنده‌های متابوتروپیک نامیده می‌شوند.

Ion Channels. The ion channels in the postsynaptic neuronal membrane are usually of two types: (1) cation channels, which usually allow sodium ions to pass when opened but sometimes also allow potassium and/or calcium ions to pass; and (2) anion channels, which mainly allow chloride ions to pass but also allow minute quantities of other anions to pass. As discussed in Chapter 4, these ion channels are highly selective for transport of one or more specific ions. This selectivity depends on its diameter, shape, and the electrical charges and chemical bonds along its inside surfaces.

کانال‌های یونی کانال‌های یونی در غشای عصبی پس سیناپسی معمولاً دو نوع هستند: (۱) کانال‌های کاتیونی، که معمولاً به یون‌های سدیم در هنگام باز شدن اجازه عبور می‌دهند، اما گاهی اوقات به یون‌های پتاسیم و/یا کلسیم نیز اجازه عبور می‌دهند. و (۲) کانال‌های آنیونی که عمدتاً به یون‌های کلرید اجازه عبور می‌دهند، اما به مقادیر بسیار کمی‌از آنیون‌های دیگر نیز اجازه عبور می‌دهند. همانطور که در فصل ۴ بحث شد، این کانال‌های یونی برای انتقال یک یا چند یون خاص بسیار انتخابی هستند. این گزینش پذیری به قطر، شکل و بارهای الکتریکی و پیوندهای شیمیایی در امتداد سطوح داخلی آن بستگی دارد.

The cation channels that conduct sodium ions are lined with negative charges. These charges attract the positively charged sodium ions into the channel when the channel diameter increases to a size larger than that of the hydrated sodium ion. However, these same negative charges repel chloride ions and other anions and prevent their passage.

کانال‌های کاتیونی که یون‌های سدیم را هدایت می‌کنند با بارهای منفی پوشیده شده اند. هنگامی‌که قطر کانال به اندازه ای بزرگتر از یون سدیم هیدراته افزایش می‌یابد، این بارها یون‌های سدیم با بار مثبت را به داخل کانال جذب می‌کنند. با این حال، همین بارهای منفی، یون‌های کلرید و سایر آنیون‌ها را دفع می‌کنند و از عبور آنها جلوگیری می‌کنند.

For the anion channels, when the channel diameters become large enough, chloride ions pass into the channels and on through to the opposite side, whereas sodium, potassium, and calcium cations are blocked, mainly because their hydrated ions are too large to pass.

برای کانال‌های آنیونی، وقتی قطر کانال به اندازه کافی بزرگ می‌شود، یون‌های کلرید به کانال‌ها می‌روند و به طرف مقابل می‌روند، در حالی که کاتیون‌های سدیم، پتاسیم و کلسیم مسدود می‌شوند، عمدتاً به این دلیل که یون‌های هیدراته آنها برای عبور خیلی بزرگ هستند.

We will learn later that when cation channels open and allow positively charged sodium ions to enter, the positive electrical charges of the sodium ions will in turn excite this neuron. Therefore, a neurotransmitter that opens cation channels is called an excitatory transmitter. Conversely, opening anion channels allows negative electrical charges to enter, which inhibits the neuron. Therefore, neurotransmitters that open these channels are called inhibitory transmitters.

بعداً خواهیم آموخت که وقتی کانال‌های کاتیونی باز می‌شوند و به یون‌های سدیم با بار مثبت اجازه ورود می‌دهند، بارهای الکتریکی مثبت یون‌های سدیم به نوبه خود این نورون را تحریک می‌کنند. بنابراین، انتقال دهنده عصبی که کانال‌های کاتیونی را باز می‌کند، فرستنده تحریکی نامیده می‌شود. برعکس، باز کردن کانال‌های آنیون اجازه می‌دهد تا بارهای الکتریکی منفی وارد شوند که نورون را مهار می‌کند. بنابراین، انتقال دهنده‌های عصبی که این کانال‌ها را باز می‌کنند، فرستنده مهاری نامیده می‌شوند.

When a neurotransmitter activates an ion channel, the channel usually opens within a fraction of a millisecond; when the transmitter substance is no longer present, the channel closes equally rapidly. The opening and closing of ion channels provide a means for very rapid control of postsynaptic neurons.

هنگامی‌که یک انتقال دهنده عصبی یک کانال یونی را فعال می‌کند، کانال معمولاً در کسری از میلی ثانیه باز می‌شود. هنگامی‌که ماده فرستنده دیگر وجود ندارد، کانال به همان سرعت بسته می‌شود. باز و بسته شدن کانال‌های یونی وسیله ای برای کنترل بسیار سریع نورون‌های پس سیناپسی فراهم می‌کند.

Figure 46-7.
The second messenger system whereby a transmitter substance from an initial neuron can activate a second neuron by first causing a transformational change in the receptor that releases the activated alpha (a) subunit of the G protein into the second neuron’s cytoplasm. Four subsequent possible effects of the G protein are shown, including the following: 1, opening an ion channel in the membrane of the second neuron; 2, activating an enzyme system in the neuron’s membrane; 3, activating an intracellular enzyme system; and/or 4, causing gene transcription in the second neuron. Return of the G protein to the inactive state occurs when guanosine triphosphate (GTP) bound to the a subunit is hydrolyzed to guanosine diphosphate (GDP), and the ẞ and y subunits are reattached to the a subunit.

شکل ۴۶-۷.
سیستم پیام رسان دوم که به موجب آن یک ماده فرستنده از یک نورون اولیه می‌تواند نورون دوم را با ایجاد یک تغییر دگرگونی در گیرنده که زیر واحد آلفا (a) فعال شده پروتئین G را در سیتوپلاسم نورون دوم آزاد می‌کند، فعال کند. چهار اثر احتمالی بعدی پروتئین G نشان داده شده است، از جمله موارد زیر: ۱، باز کردن یک کانال یونی در غشای نورون دوم. ۲، فعال کردن یک سیستم آنزیمی‌در غشای نورون. ۳، فعال کردن یک سیستم آنزیمی‌داخل سلولی. و/یا ۴، باعث رونویسی ژن در نورون دوم می‌شود. بازگشت پروتئین G به حالت غیر فعال زمانی اتفاق می‌افتد که گوانوزین تری فسفات (GTP) متصل به زیر واحد a به گوانوزین دی فسفات (GDP) هیدرولیز می‌شود و زیر واحدهای ẞ و y دوباره به زیر واحد a متصل می‌شوند.

“Second Messenger” System in the Postsynaptic Neuron. Many functions of the nervous system-for example, the process of memory-require prolonged changes in neurons for seconds to months after the initial transmitter substance is gone. The ion channels are not suitable for causing prolonged postsynaptic neuronal changes because these channels close within milliseconds after the transmitter substance is no longer present. How- ever, in many cases, prolonged postsynaptic neuronal ex- citation or inhibition is achieved by activating a second messenger chemical system inside the postsynaptic neuronal cell, and then it is the second messenger that causes the prolonged effect.

سیستم پیام رسان دوم در نورون پس سیناپسی. بسیاری از عملکردهای سیستم عصبی – به عنوان مثال، فرآیند حافظه – به تغییرات طولانی مدت در نورون‌ها برای چند ثانیه تا ماه‌ها پس از از بین رفتن ماده فرستنده اولیه نیاز دارد. کانال‌های یونی برای ایجاد تغییرات عصبی پس سیناپسی طولانی‌مدت مناسب نیستند زیرا این کانال‌ها در عرض میلی‌ثانیه پس از اینکه ماده فرستنده دیگر وجود ندارد بسته می‌شوند. با این حال، در بسیاری از موارد، تحریک یا بازداری طولانی‌مدت عصبی پس سیناپسی با فعال کردن یک سیستم شیمیایی پیام‌رسان دوم در داخل سلول عصبی پس سیناپسی به دست می‌آید و سپس این پیام‌رسان دوم است که باعث اثر طولانی مدت می‌شود.

There are several types of second messenger systems. One of the most common types uses a group of proteins called G proteins. Figure 46-7 shows a membrane receptor G protein. The inactive G protein complex is free in the cytosol and consists of guanosine diphosphate (GDP) plus three components: an alpha (a) component that is the activator portion of the G protein, and beta (B) and gamma (y) components that are attached to the alpha component. As long as the G protein complex is bound to GDP, it remains inactive.

انواع مختلفی از سیستم‌های پیام رسان دوم وجود دارد. یکی از رایج ترین انواع آن از گروهی از پروتئین‌ها به نام پروتئین‌های G استفاده می‌کند. شکل ۴۶-۷ پروتئین G گیرنده غشایی را نشان می‌دهد. کمپلکس پروتئین G غیر فعال در سیتوزول آزاد است و از گوانوزین دی فسفات (GDP) به اضافه سه جزء تشکیل شده است: یک جزء آلفا (a) که بخش فعال کننده پروتئین G است و اجزای بتا (B) و گاما (y) که به جزء آلفا متصل هستند. تا زمانی که کمپلکس پروتئین G به تولید ناخالص داخلی متصل است، غیرفعال می‌ماند.

When the receptor is activated by a neurotransmitter, following a nerve impulse, the receptor undergoes a conformational change, exposing a binding site for the G protein complex, which then binds to the portion of the receptor that protrudes into the interior of the cell.

هنگامی‌که گیرنده توسط یک انتقال دهنده عصبی فعال می‌شود، به دنبال یک تکانه عصبی، گیرنده دچار یک تغییر ساختاری می‌شود و یک محل اتصال برای مجتمع پروتئین G را نشان می‌دهد، که سپس به بخشی از گیرنده متصل می‌شود که به داخل سلول بیرون زده است.

This process permits the a subunit to release GDP and simultaneously bind guanosine triphosphate (GTP) while separating from the ẞ and y portions of the complex. The separated a-GTP complex is then free to move within the cytoplasm of the cell and perform one or more of several functions, depending on the specific characteristic of each type of neuron. The following four changes that can occur are shown in Figure 46-7:

این فرآیند به یک زیر واحد اجازه می‌دهد تا تولید ناخالص داخلی را آزاد کند و همزمان با جدا شدن از بخش‌های ẞ و y کمپلکس، گوانوزین تری فسفات (GTP) را به هم متصل کند. سپس کمپلکس a-GTP جدا شده آزاد است تا در داخل سیتوپلاسم سلول حرکت کند و بسته به ویژگی خاص هر نوع نورون، یک یا چند عملکرد از چندین عملکرد را انجام دهد. چهار تغییر زیر که ممکن است رخ دهد در شکل ۴۶-۷ نشان داده شده است:

۱. Opening specific ion channels through the postsynaptic cell membrane. Shown in the upper right of the figure is a potassium channel that is opened in response to the G protein; this channel often stays open for a prolonged time, in contrast to rapid closure of directly activated ion channels that do not use the second messenger system.
2. Activation of cyclic adenosine monophosphate (CAMP) or cyclic guanosine monophosphate (cGMP) in the neuronal cell. Recall that cAMP or cGMP can activate highly specific metabolic machinery in the neuron and, therefore, can initiate any one of many chemical results, including long-term changes in cell structure itself, which in turn alters long-term excitability of the neuron.
3. Activation of one or more intracellular enzymes. The G protein can directly activate one or more intracellular enzymes. In turn, the enzymes can cause many specific chemical functions in the cell.
4. Activation of gene transcription. Activation of gene transcription is one of the most important effects of activation of the second messenger systems because gene transcription can cause formation of new proteins within the neuron, thereby changing its metabolic machinery or its structure. It is well known that structural changes of appropriately activated neurons do occur, especially in long-term memory processes.

۱. باز کردن کانال‌های یونی خاص از طریق غشای سلولی پس سیناپسی. در سمت راست بالای شکل یک کانال پتاسیم نشان داده شده است که در پاسخ به پروتئین G باز می‌شود. این کانال اغلب برای مدت طولانی باز می‌ماند، برخلاف بسته شدن سریع کانال‌های یونی فعال شده مستقیم که از سیستم پیام رسان دوم استفاده نمی‌کنند.
2. فعال شدن آدنوزین مونوفسفات حلقوی (CAMP) یا گوانوزین مونوفسفات حلقوی (cGMP) در سلول عصبی. به یاد بیاورید که cAMP یا cGMP می‌تواند ماشین‌های متابولیکی بسیار خاص را در نورون فعال کند و بنابراین، می‌تواند هر یک از نتایج شیمیایی، از جمله تغییرات طولانی‌مدت در ساختار سلولی را آغاز کند، که به نوبه خود تحریک‌پذیری طولانی‌مدت نورون را تغییر می‌دهد.
3. فعال شدن یک یا چند آنزیم داخل سلولی. پروتئین G می‌تواند مستقیماً یک یا چند آنزیم درون سلولی را فعال کند. به نوبه خود، آنزیم‌ها می‌توانند بسیاری از عملکردهای شیمیایی خاص را در سلول ایجاد کنند.
4. فعال سازی رونویسی ژن. فعال‌سازی رونویسی ژن یکی از مهمترین اثرات فعال‌سازی سیستم‌های پیام‌رسان دوم است، زیرا رونویسی ژن می‌تواند باعث تشکیل پروتئین‌های جدید در نورون شود و در نتیجه دستگاه متابولیک یا ساختار آن را تغییر دهد. به خوبی شناخته شده است که تغییرات ساختاری نورون‌های فعال شده مناسب، به ویژه در فرآیندهای حافظه بلند مدت رخ می‌دهد.

Inactivation of the G protein occurs when the GTP bound to the a subunit is hydrolyzed to GDP. This action causes the a subunit to release from its target protein, thereby inactivating the second messenger systems, and then to combine again with the ẞ and y subunits, returning the G protein complex to its inactive state.

غیرفعال شدن پروتئین G زمانی اتفاق می‌افتد که GTP متصل به زیر واحد a به GDP هیدرولیز می‌شود. این عمل باعث می‌شود که یک زیرواحد از پروتئین هدف خود آزاد شود و در نتیجه سیستم‌های پیام رسان دوم را غیرفعال کند و سپس دوباره با زیرواحدهای ẞ و y ترکیب شود و کمپلکس پروتئین G را به حالت غیرفعال خود بازگرداند.

It is clear that activation of second messenger systems within the neuron, whether of the G protein type or of other types, is extremely important for changing the long-term response characteristics of different neuronal pathways. We will return to this subject in more detail in Chapter 58 when we discuss memory functions of the nervous system.

واضح است که فعال شدن سیستم‌های پیام‌رسان دوم درون نورون، چه از نوع پروتئین G و چه از انواع دیگر، برای تغییر ویژگی‌های پاسخ طولانی‌مدت مسیرهای عصبی مختلف بسیار مهم است. هنگامی‌که در مورد عملکردهای حافظه سیستم عصبی بحث می‌کنیم، در فصل ۵۸ با جزئیات بیشتر به این موضوع باز خواهیم گشت.

Excitatory or Inhibitory Receptors in the Postsynaptic Membrane

On activation, some postsynaptic receptors cause excitation of postsynaptic neurons, and others cause inhibition. The importance of having inhibitory and excitatory types of receptors is that this feature gives an additional dimension to nervous function, allowing restraint of nervous action and excitation.

گیرنده‌های تحریکی یا مهاری در غشای پس سیناپسی

هنگام فعال شدن، برخی از گیرنده‌های پس سیناپسی باعث تحریک نورون‌های پس سیناپسی می‌شوند و برخی دیگر باعث مهار می‌شوند. اهمیت داشتن انواع گیرنده‌های بازدارنده و برانگیخته در این است که این ویژگی بعد اضافی به عملکرد عصبی می‌دهد و اجازه می‌دهد تا کنش و تحریک عصبی را مهار کند.

The different molecular and membrane mechanisms used by the different receptors to cause excitation or inhibition include the following.

مکانیسم‌های مختلف مولکولی و غشایی که توسط گیرنده‌های مختلف برای ایجاد تحریک یا مهار استفاده می‌شود شامل موارد زیر است.

Excitation.

۱. Opening of sodium channels to allow large numbers of positive electrical charges to flow to the interior of the postsynaptic cell. This action raises the intracellular membrane potential in the positive direction up toward the threshold level for excitation. It is the most widely used means for causing excitation.
2. Depressed conduction through chloride or potassium channels or both. This action decreases the diffusion of negatively charged chloride ions to the inside of the postsynaptic neuron or decreases the diffusion of positively charged potassium ions to the outside. In either case, the effect is to make the internal membrane potential more positive than normal, which is excitatory.
3. Various changes in the internal metabolism of the postsynaptic neuron to excite cell activity or, in some cases, to increase the number of excitatory mem- brane receptors or decrease the number of inhibitory membrane receptors.

برانگیختگی.

۱. باز کردن کانال‌های سدیم برای اجازه دادن به تعداد زیادی بار الکتریکی مثبت برای جریان یافتن به داخل سلول پس سیناپسی. این عمل پتانسیل غشای داخل سلولی را در جهت مثبت به سمت سطح آستانه برای تحریک بالا می‌برد. پرکاربردترین وسیله برای ایجاد تحریک است.
2. کاهش رسانایی از طریق کانال‌های کلرید یا پتاسیم یا هر دو. این عمل باعث کاهش انتشار یون‌های کلرید با بار منفی به داخل نورون پس سیناپسی یا کاهش انتشار یون‌های پتاسیم با بار مثبت به خارج می‌شود. در هر صورت، اثر این است که پتانسیل غشای داخلی مثبت‌تر از حالت عادی است که تحریک‌کننده است.
3. تغییرات مختلف در متابولیسم داخلی نورون پس سیناپسی برای تحریک فعالیت سلولی یا در برخی موارد برای افزایش تعداد گیرنده‌های غشای تحریکی یا کاهش تعداد گیرنده‌های غشایی بازدارنده.

Inhibition.

۱. Opening of chloride ion channels through the post- synaptic neuronal membrane. This action allows rapid diffusion of negatively charged chloride ions from outside the postsynaptic neuron to the inside, thereby carrying negative charges inward and in- creasing the negativity inside, which is inhibitory.
2. Increase in conductance of potassium ions out of the neuron. This action allows positive ions to diffuse to the exterior, which causes increased negativity in- side the neuron; this is inhibitory.
3. Activation of receptor enzymes. This inhibits cellular metabolic functions and increases the number of inhibitory synaptic receptors or decreases the number of excitatory receptors.

مهار.

۱. باز شدن کانال‌های یونی کلرید از طریق غشای عصبی پس سیناپسی. این عمل باعث انتشار سریع یون‌های کلرید با بار منفی از خارج از نورون پس سیناپسی به داخل می‌شود، در نتیجه بارهای منفی را به داخل حمل می‌کند و منفی بودن را در داخل افزایش می‌دهد که بازدارنده است.
2. افزایش هدایت یون‌های پتاسیم به خارج از نورون. این عمل به یون‌های مثبت اجازه می‌دهد تا به بیرون منتشر شوند که باعث افزایش منفی در داخل نورون می‌شود. این بازدارنده است
3. فعال شدن آنزیم‌های گیرنده. این کار عملکردهای متابولیک سلولی را مهار می‌کند و تعداد گیرنده‌های سیناپسی بازدارنده را افزایش می‌دهد یا تعداد گیرنده‌های تحریکی را کاهش می‌دهد.

CHEMICAL SUBSTANCES THAT FUNCTION AS SYNAPTIC TRANSMITTERS

More than 50 chemical substances have been proved or postulated to function as synaptic transmitters. Some of them are listed in Tables 46-1 and 46-2, which provide two groups of synaptic transmitters. One group comprises small-molecule, rapidly acting transmitters. The other is made up of a large number of neuropeptides of much larger molecular size, which usually act much more slowly. A few gaseous molecules, such as nitric oxide (NO), hydrogen sulfide (H2S), and carbon monoxide (CO), may also serve as transmitter modulators, although their role as true neurotransmitters is still unclear.

مواد شیمیایی که به عنوان انتقال دهنده سیناپتیک عمل می‌کنند

بیش از ۵۰ ماده شیمیایی ثابت یا فرض شده است که به عنوان فرستنده سیناپسی عمل می‌کنند. برخی از آنها در جداول ۴۶-۱ و ۴۶-۲ ذکر شده اند که دو گروه از فرستنده‌های سیناپسی را ارائه می‌دهند. یک گروه شامل فرستنده‌های مولکولی کوچک و سریع الاثر است. دیگری از تعداد زیادی نوروپپتید با اندازه مولکولی بسیار بزرگتر تشکیل شده است که معمولاً بسیار کندتر عمل می‌کنند. چند مولکول گازی مانند اکسید نیتریک (NO)، سولفید هیدروژن (H2S) و مونوکسید کربن (CO) نیز ممکن است به عنوان تعدیل کننده‌های فرستنده عمل کنند، اگرچه نقش آنها به عنوان انتقال دهنده‌های عصبی واقعی هنوز نامشخص است.

The small-molecule, rapidly acting transmitters cause most acute responses of the nervous system, such as transmission of sensory signals to the brain and motor signals back to the muscles. The neuropeptides, in contrast, usually cause more prolonged actions, such as long-term changes in numbers of neuronal receptors, long-term opening or closure of certain ion channels, and possibly even long-term changes in numbers of synapses or sizes of synapses.

فرستنده‌های مولکولی کوچک و سریع عمل می‌کنند، اغلب پاسخ‌های حاد سیستم عصبی مانند انتقال سیگنال‌های حسی به مغز و سیگنال‌های حرکتی به عضلات را ایجاد می‌کنند. در مقابل، نوروپپتیدها معمولاً باعث اعمال طولانی‌تر می‌شوند، مانند تغییرات طولانی‌مدت در تعداد گیرنده‌های عصبی، باز یا بسته شدن طولانی مدت کانال‌های یونی خاص، و احتمالاً حتی تغییرات طولانی‌مدت در تعداد سیناپس‌ها یا اندازه سیناپس‌ها.

Table 46-1 Small-Molecule, Rapidly Acting Transmitters

جدول ۴۶-۱ فرستنده‌های مولکولی کوچک، سریع الاثر

Small-Molecule, Rapidly Acting Transmitters

In most cases, the small-molecule types of transmitters are synthesized in the cytosol of the presynaptic terminal and are absorbed via active transport into the many transmitter vesicles in the terminal. Then, each time an action potential reaches the presynaptic terminal, a few vesicles at a time release their transmitter into the synaptic cleft. This action usually occurs within a millisecond or less by the mechanism described earlier. The subsequent action of the small-molecule transmitter on the membrane receptors of the postsynaptic neuron usually also occurs within another millisecond or less. Most often, the effect is to increase or decrease conductance through ion channels; an example is to increase sodium conductance, which causes excitation, or to increase potassium or chloride conductance, which causes inhibition.

فرستنده‌های مولکولی کوچک و سریع الاثر

در بیشتر موارد، انواع فرستنده‌های مولکولی کوچک در سیتوزول پایانه پیش سیناپسی سنتز می‌شوند و از طریق انتقال فعال به داخل بسیاری از وزیکول‌های فرستنده در پایانه جذب می‌شوند. سپس، هر بار که یک پتانسیل عمل به پایانه پیش سیناپسی می‌رسد، چند وزیکول در یک زمان فرستنده خود را به شکاف سیناپسی رها می‌کنند. این عمل معمولاً با مکانیسمی‌که قبلاً توضیح داده شد در یک میلی ثانیه یا کمتر رخ می‌دهد. عمل بعدی فرستنده مولکولی کوچک بر روی گیرنده‌های غشایی نورون پس سیناپسی معمولاً در یک میلی ثانیه دیگر یا کمتر اتفاق می‌افتد. اغلب، اثر افزایش یا کاهش رسانایی از طریق کانال‌های یونی است. به عنوان مثال افزایش رسانایی سدیم، که باعث تحریک می‌شود، یا افزایش رسانایی پتاسیم یا کلرید، که باعث مهار می‌شود.

Recycling of Small-Molecule Types of Vesicles. Vesicles that store and release small-molecule transmitters are continually recycled and used over and over again. After they fuse with the synaptic membrane and open to release their transmitters, the vesicle membrane at first simply becomes part of the synaptic membrane. However, within seconds to minutes, the vesicle portion of the membrane invaginates back to the inside of the presynaptic terminal and pinches off to form a new vesicle. The new vesicular membrane still contains appropriate enzyme proteins or transport proteins required for synthesizing and/or concentrating new transmitter substances inside the vesicle.

بازیافت انواع وزیکول‌های مولکولی کوچک. وزیکول‌هایی که فرستنده‌های مولکولی کوچک را ذخیره و آزاد می‌کنند به طور مداوم بازیافت می‌شوند و بارها و بارها مورد استفاده قرار می‌گیرند. پس از اینکه آنها با غشای سیناپسی ترکیب شدند و برای آزاد کردن فرستنده‌های خود باز شدند، غشای وزیکول در ابتدا به سادگی بخشی از غشای سیناپسی می‌شود. با این حال، در عرض چند ثانیه تا چند دقیقه، بخش وزیکولی غشاء به داخل پایانه پیش سیناپسی برمی‌گردد و برای تشکیل یک وزیکول جدید فشرده می‌شود. غشای وزیکولی جدید همچنان حاوی پروتئین‌های آنزیمی‌مناسب یا پروتئین‌های حمل و نقل مورد نیاز برای سنتز و/یا تمرکز مواد فرستنده جدید در داخل وزیکول است.

Acetylcholine is a typical small-molecule transmitter that obeys the principles of synthesis and release, as stated earlier. This transmitter substance is synthesized in the presynaptic terminal from acetyl coenzyme A and choline in the presence of the enzyme choline acetyltransferase. It is then transported into its specific vesicles. When the vesicles later release acetylcholine into the synaptic cleft during synaptic neuronal signal transmission, the acetyl- choline is rapidly split again to acetate and choline by the enzyme cholinesterase, which is present in the proteo- glycan reticulum that fills the space of the synaptic cleft. Then, once again, inside the presynaptic terminal, the vesicles are recycled, and choline is actively transported back into the terminal to be used again for synthesis of new acetylcholine.

استیل کولین یک فرستنده معمولی با مولکول کوچک است که از اصول سنتز و آزادسازی پیروی می‌کند، همانطور که قبلاً گفته شد. این ماده فرستنده در پایانه پیش سیناپسی از استیل کوآنزیم A و کولین در حضور آنزیم کولین استیل ترانسفراز سنتز می‌شود. سپس به وزیکول‌های خاص خود منتقل می‌شود. هنگامی‌که وزیکول‌ها بعداً در طی انتقال سیگنال عصبی سیناپسی، استیل کولین را به داخل شکاف سیناپسی آزاد می‌کنند، استیل کولین به سرعت توسط آنزیم کولین استراز، که در شبکه پروتئوگلیکان که فضای شکاف سیناپسی را پر می‌کند، به استات و کولین تقسیم می‌شود. سپس، یک بار دیگر، در داخل پایانه پیش سیناپسی، وزیکول‌ها بازیافت می‌شوند و کولین به طور فعال به انتهای ترمینال منتقل می‌شود تا دوباره برای سنتز استیل کولین جدید استفاده شود.

Table 46-2
Neuropeptides, Slowly Acting Transmitters, or Growth Factors

جدول ۴۶-۲
نوروپپتیدها، انتقال دهنده‌های آهسته اثر، یا عوامل رشد

Characteristics of Some Important Small-Molecule Transmitters. Acetylcholine is secreted by neurons in many areas of the nervous system but specifically by (1) the terminals of the large pyramidal cells from the motor cortex; (2) several different types of neurons in the basal ganglia; (3) motor neurons that innervate the skeletal muscles; (4) preganglionic neurons of the autonomic nervous system; (5) postganglionic neurons of the para- sympathetic nervous system; and (6) some of the post- ganglionic neurons of the sympathetic nervous system. In most cases, acetylcholine has an excitatory effect; how- ever, it is known to have inhibitory effects at some peripheral parasympathetic nerve endings, such as inhibition of the heart by the vagus nerves.

ویژگی‌های برخی از فرستنده‌های مهم مولکولی کوچک. استیل کولین توسط نورون‌ها در بسیاری از نواحی سیستم عصبی، اما به طور خاص توسط (۱) پایانه‌های سلول‌های هرمی‌بزرگ از قشر حرکتی ترشح می‌شود. (۲) چندین نوع مختلف نورون در عقده‌های پایه. (۳) نورون‌های حرکتی که عضلات اسکلتی را عصب دهی می‌کنند. (۴) نورون‌های پیش گانگلیونی سیستم عصبی خودمختار. (۵) نورون‌های پست گانگلیونی سیستم عصبی پاراسمپاتیک. و (۶) برخی از نورون‌های پس گانگلیونی سیستم عصبی سمپاتیک. در بیشتر موارد، استیل کولین اثر تحریکی دارد. با این حال، شناخته شده است که دارای اثرات بازدارنده در برخی از انتهای عصب پاراسمپاتیک محیطی، مانند مهار قلب توسط اعصاب واگ است.

Norepinephrine is secreted by the terminals of many neurons whose cell bodies are located in the brain stem and hypothalamus. Specifically, norepinephrine-secreting neurons located in the locus ceruleus in the pons send nerve fibers to widespread areas of the brain to help control overall activity and mood of the mind, such as increasing the level of wakefulness. In most of these areas, norepinephrine probably activates excitatory receptors, but in a few areas, it activates inhibitory receptors instead. Norepinephrine is also secreted by most postganglionic neurons of the sympathetic nervous system, where it excites some organs but inhibits others.

نوراپی نفرین توسط پایانه‌های بسیاری از نورون‌ها ترشح می‌شود که بدن سلولی آنها در ساقه مغز و هیپوتالاموس قرار دارد. به طور خاص، نورون‌های ترشح کننده نوراپی نفرین واقع در لوکوس سرولئوس در پونز، رشته‌های عصبی را به مناطق گسترده ای از مغز می‌فرستند تا به کنترل فعالیت کلی و خلق و خوی ذهن، مانند افزایش سطح بیداری کمک کنند. در بیشتر این نواحی، نوراپی نفرین احتمالاً گیرنده‌های تحریکی را فعال می‌کند، اما در برخی مناطق، گیرنده‌های بازدارنده را به جای آن فعال می‌کند. نوراپی نفرین همچنین توسط اکثر نورون‌های پس گانگلیونی سیستم عصبی سمپاتیک ترشح می‌شود، جایی که برخی از اندام‌ها را تحریک می‌کند اما برخی دیگر را مهار می‌کند.

Dopamine is secreted by neurons that originate in the substantia nigra. The termination of these neurons is mainly in the striatal region of the basal ganglia. The effect of dopamine is usually inhibition.

دوپامین توسط نورون‌هایی ترشح می‌شود که از جسم سیاه منشا می‌گیرند. ختم این نورون‌ها عمدتاً در ناحیه مخطط عقده‌های قاعده ای است. اثر دوپامین معمولاً بازدارنده است.

Glycine is secreted mainly at synapses in the spinal cord. It is believed to always act as an inhibitory transmitter. Gamma-aminobutyric acid (GABA) is secreted by nerve terminals in the spinal cord, cerebellum, basal ganglia, and many areas of the cortex. It is the primary inhibitory neurotransmitter in the adult central nervous system. Yet, in the early stages of brain development, including the embryonic period and first week of postnatal life, GABA is thought to serve as an excitatory neurotransmitter.

گلیسین عمدتاً در سیناپس‌های نخاع ترشح می‌شود. اعتقاد بر این است که همیشه به عنوان یک انتقال دهنده بازدارنده عمل می‌کند. گاما آمینوبوتیریک اسید (GABA) توسط پایانه‌های عصبی در نخاع، مخچه، عقده‌های پایه و بسیاری از نواحی قشر مغز ترشح می‌شود. این انتقال دهنده عصبی بازدارنده اولیه در سیستم عصبی مرکزی بزرگسالان است. با این حال، در مراحل اولیه رشد مغز، از جمله دوره جنینی و هفته اول زندگی پس از تولد، تصور می‌شود GABA به عنوان یک انتقال دهنده عصبی تحریکی عمل می‌کند.

Glutamate is secreted by the presynaptic terminals in many of the sensory pathways entering the central nervous system, as well as in many areas of the cerebral cortex. It probably always causes excitation.

گلوتامات توسط پایانه‌های پیش سیناپسی در بسیاری از مسیرهای حسی ورودی به سیستم عصبی مرکزی و همچنین در بسیاری از نواحی قشر مغز ترشح می‌شود. احتمالا همیشه باعث تحریک می‌شود.

Serotonin is secreted by nuclei that originate in the median raphe of the brain stem and project to many brain and spinal cord areas, especially to the dorsal horns of the spinal cord and the hypothalamus. Serotonin acts as an inhibitor of pain pathways in the cord; an inhibitor action in the higher regions of the nervous system is believed to help control the mood of the person, perhaps even to cause sleep.

سروتونین توسط هسته‌هایی ترشح می‌شود که از رافه میانی ساقه مغز منشا می‌گیرند و به بسیاری از نواحی مغز و نخاع، به‌ویژه به شاخ‌های پشتی نخاع و هیپوتالاموس می‌رسند. سروتونین به عنوان یک مهار کننده مسیرهای درد در بند ناف عمل می‌کند. اعتقاد بر این است که یک عمل بازدارنده در نواحی بالاتر سیستم عصبی به کنترل خلق و خوی فرد کمک می‌کند، شاید حتی باعث خواب شود.

Nitric oxide is produced by nerve terminals in areas of the brain responsible for long-term behavior and memory. Therefore, this gaseous transmitter might in the future explain some behavior and memory functions that thus far have defied understanding. Nitric oxide is different from other small-molecule transmitters in its mechanism of formation in the presynaptic terminal and in its actions on the postsynaptic neuron. It is not pre- formed and stored in vesicles in the presynaptic terminal, as are other transmitters. Instead, it is synthesized almost instantly as needed and then diffuses out of the presynaptic terminals over a period of seconds rather than being released in vesicular packets. Next, it diffuses into post- synaptic neurons nearby. In the postsynaptic neuron, it usually does not alter the membrane potential greatly but instead changes intracellular metabolic functions that modify neuronal excitability for seconds, minutes, or per- haps even longer.

اکسید نیتریک توسط پایانه‌های عصبی در مناطقی از مغز که مسئول رفتار و حافظه طولانی مدت هستند تولید می‌شود. بنابراین، این فرستنده گازی ممکن است در آینده برخی از رفتارها و عملکردهای حافظه را توضیح دهد که تاکنون درک را به چالش کشیده اند. اکسید نیتریک از نظر مکانیسم تشکیل در پایانه پیش سیناپسی و در عملکرد آن بر روی نورون پس سیناپسی با سایر فرستنده‌های مولکول کوچک متفاوت است. مانند سایر فرستنده‌ها از پیش ساخته و در وزیکول‌های انتهای پیش سیناپسی ذخیره نمی‌شود. درعوض، تقریباً فوراً در صورت نیاز سنتز می‌شود و سپس به‌جای انتشار در بسته‌های وزیکولی، در طی چند ثانیه از پایانه‌های پیش‌سیناپسی منتشر می‌شود. سپس به نورون‌های پس سیناپسی نزدیک منتشر می‌شود. در نورون پس سیناپسی، معمولاً پتانسیل غشاء را تا حد زیادی تغییر نمی‌دهد، اما در عوض عملکردهای متابولیک درون سلولی را تغییر می‌دهد که تحریک پذیری نورون را برای چند ثانیه، دقیقه یا حتی بیشتر تغییر می‌دهد.

Neuropeptides

Neuropeptides are synthesized differently and have actions that are usually slow and in other ways different from those of the small-molecule transmitters. The neuropeptides are not synthesized in the cytosol of the presynaptic terminals. Instead, they are synthesized as integral parts of large-protein molecules by ribosomes in the neuronal cell body.

نوروپپتیدها

نوروپپتیدها به گونه‌ای متفاوت سنتز می‌شوند و عملکردهایی دارند که معمولاً کند هستند و از جهات دیگری با فرستنده‌های مولکول کوچک متفاوت هستند. نوروپپتیدها در سیتوزول پایانه‌های پیش سیناپسی سنتز نمی‌شوند. در عوض، آنها به عنوان بخش جدایی ناپذیر مولکول‌های پروتئینی بزرگ توسط ریبوزوم‌ها در بدن سلول عصبی سنتز می‌شوند.

The protein molecules then enter the spaces inside the endoplasmic reticulum of the cell body and subsequently inside the Golgi apparatus, where two changes occur. First, the neuropeptide-forming protein is enzymatically split into smaller fragments, some of which are either the neuropeptide itself or a precursor of it. Second, the Golgi apparatus packages the neuropeptide into minute transmitter vesicles that are released into the cytoplasm. Then, the transmitter vesicles are transported all the way to the tips of the nerve fibers by axonal streaming of the axon cytoplasm, traveling at the slow rate of only a few centi- meters per day. Finally, these vesicles release their transmitter at the neuronal terminals in response to action potentials in the same manner as for small-molecule transmitters. However, the vesicle is autolyzed and is not reused.

سپس مولکول‌های پروتئین وارد فضاهای داخل شبکه آندوپلاسمی‌بدن سلولی و متعاقباً داخل دستگاه گلژی می‌شوند که در آنجا دو تغییر رخ می‌دهد. ابتدا پروتئین سازنده نوروپپتید به صورت آنزیمی‌به قطعات کوچکتری تقسیم می‌شود که برخی از آنها خود نوروپپتید یا پیش ساز آن هستند. دوم، دستگاه گلژی نوروپپتید را در وزیکول‌های فرستنده کوچکی که در سیتوپلاسم آزاد می‌شوند، بسته‌بندی می‌کند. سپس، وزیکول‌های فرستنده توسط جریان آکسونی سیتوپلاسم آکسون به انتهای رشته‌های عصبی منتقل می‌شوند و با سرعت آهسته تنها چند سانتی‌متر در روز حرکت می‌کنند. در نهایت، این وزیکول‌ها فرستنده خود را در پایانه‌های عصبی در پاسخ به پتانسیل‌های عمل به همان روشی که برای فرستنده‌های مولکولی کوچک منتشر می‌کنند، آزاد می‌کنند. با این حال، وزیکول اتولیز شده و مجدداً مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.

Because of this laborious method of forming the neuropeptides, much smaller quantities of neuropeptides than the small-molecule transmitters are usually released. This difference is partly compensated for by the fact that the neuropeptides are generally a thousand or more times as potent as the small-molecule transmitters. Another important characteristic of the neuropeptides is that they often cause much more prolonged actions. Some of these actions include prolonged closure of calcium channels, prolonged changes in the metabolic machinery of cells, prolonged changes in activation or deactivation of specific genes in the cell nucleus, and/or prolonged alterations in numbers of excitatory or inhibitory receptors. Some of these effects last for days, but others last perhaps for months or years. Our knowledge of the functions of the neuropeptides is only beginning to develop.

به دلیل این روش پرزحمت تشکیل نوروپپتیدها، معمولاً مقادیر بسیار کمتری از نوروپپتیدها نسبت به فرستنده‌های مولکولی کوچک آزاد می‌شوند. این تفاوت تا حدی با این واقعیت جبران می‌شود که نوروپپتیدها به طور کلی هزار بار یا بیشتر از فرستنده‌های مولکول کوچک قوی هستند. یکی دیگر از ویژگی‌های مهم نوروپپتیدها این است که آنها اغلب اثرات طولانی تری ایجاد می‌کنند. برخی از این اقدامات شامل بسته شدن طولانی مدت کانال‌های کلسیم، تغییرات طولانی مدت در ماشین متابولیک سلول‌ها، تغییرات طولانی مدت در فعال یا غیرفعال شدن ژن‌های خاص در هسته سلول، و/یا تغییرات طولانی مدت در تعداد گیرنده‌های تحریک کننده یا مهاری است. برخی از این اثرات برای روزها باقی می‌مانند، اما برخی دیگر شاید برای ماه‌ها یا سال‌ها باقی بمانند. دانش ما در مورد عملکرد نوروپپتیدها تازه شروع به توسعه کرده است.

Neuropeptide and Small-Molecule Transmitters May Coexist in the Same Neurons. Slowly acting neuro- peptide transmitters and rapidly acting, small-molecule transmitters are often stored and released from the same neurons. In some cases, two or more of these transmitters are co-localized in the same synaptic vesicles and are co-released when an action potential reaches the presynaptic terminal (Figure 46-8A). In other cases, these transmitters may be localized in different populations of synaptic vesicles of the same neuron and contribute to co- transmission of signals to a postsynaptic neuron. Moreover, their release may be differentially regulated because of different calcium ion sensitivities (Figure 46-8B) or spatial segregation of the vesicles on different boutons (Figure 46-8C).

نوروپپتید و فرستنده‌های مولکولی کوچک ممکن است در همان نورون‌ها وجود داشته باشند. فرستنده‌های نوروپپتیدی با عملکرد آهسته و فرستنده‌های مولکولی کوچک با سرعت عمل اغلب از همان نورون‌ها ذخیره و آزاد می‌شوند. در برخی موارد، دو یا تعداد بیشتری از این فرستنده‌ها در وزیکول‌های سیناپسی یکسان قرار می‌گیرند و زمانی که پتانسیل عمل به پایانه پیش‌سیناپسی می‌رسد، همزمان آزاد می‌شوند (شکل ۴۶-8A). در موارد دیگر، این فرستنده‌ها ممکن است در جمعیت‌های مختلف وزیکول‌های سیناپسی همان نورون قرار داشته باشند و به انتقال همزمان سیگنال‌ها به یک نورون پس سیناپسی کمک کنند. علاوه بر این، انتشار آنها ممکن است به دلیل حساسیت‌های مختلف یون کلسیم (شکل ۴۶-8B) یا جداسازی فضایی وزیکول‌ها در بوتون‌های مختلف به طور متفاوت تنظیم شود (شکل ۴۶-8C).

The co-release of transmitters and co-transmission of signals obviously has important functional implications. Each different transmitter released from the same pre- synaptic neuron has its own specific receptors and may have inhibitory or excitatory influences on the postsynaptic target. Different neurons may release different combinations of fast-acting transmitters that directly activate postsynaptic receptors, as well as slow-acting transmitters that require activation of second messenger cascades and postsynaptic changes in gene expression.

انتشار همزمان فرستنده‌ها و ارسال همزمان سیگنال‌ها به وضوح پیامدهای عملکردی مهمی‌دارد. هر فرستنده متفاوتی که از همان نورون پیش سیناپسی آزاد می‌شود، گیرنده‌های خاص خود را دارد و ممکن است تأثیرات مهاری یا تحریکی بر روی هدف پس سیناپسی داشته باشد. نورون‌های مختلف ممکن است ترکیب‌های مختلفی از فرستنده‌های سریع الاثر را آزاد کنند که مستقیماً گیرنده‌های پس سیناپسی را فعال می‌کنند، و همچنین فرستنده‌های آهسته‌اثری که به فعال‌سازی آبشارهای پیام‌رسان دوم و تغییرات پس سیناپسی در بیان ژن نیاز دارند.

An example of co-release of two small molecule transmitters is found in the raphe nucleus, located in the brain stem. These neurons provide innervation to several brain regions, they can co-release serotonin and glutamate, and they play an important role in the cycle of sleeping and wakefulness (see Chapters 59 and 60).

نمونه ای از آزادسازی همزمان دو فرستنده مولکولی کوچک در هسته رافه، واقع در ساقه مغز یافت می‌شود. این نورون‌ها به چندین ناحیه مغز عصب دهی می‌کنند، می‌توانند سروتونین و گلوتامات را همزمان آزاد کنند و نقش مهمی‌در چرخه خواب و بیداری دارند (به فصل‌های ۵۹ و ۶۰ مراجعه کنید).

Figure 46-8.
Co-release of neurotransmitters and co-transmission of neuronal signals. A, With co-release, both transmitters (green and purple) are stored in the same set of synaptic vesicles and released together when an action potential reaches the presynaptic terminal. B, With co-transmission, the transmitters are stored in different populations of synaptic vesicles with differential release mediated by different calcium ion (Ca2+) sensitivities; a single action potential might release one set of vesicles (green), whereas multiple action potentials might be required to release both sets of vesicles (green and purple). C, Co-transmission can also rely on the spatial segregation of vesicle populations to different boutons, allowing uniform information to be transmitted to different postsynaptic targets.

شکل ۴۶-۸.
انتشار همزمان انتقال دهنده‌های عصبی و انتقال همزمان سیگنال‌های عصبی. A، با انتشار همزمان، هر دو فرستنده (سبز و بنفش) در یک مجموعه از وزیکول‌های سیناپسی ذخیره می‌شوند و زمانی که پتانسیل عمل به پایانه پیش‌سیناپسی می‌رسد، با هم آزاد می‌شوند. ب، با انتقال همزمان، فرستنده‌ها در جمعیت‌های مختلف وزیکول‌های سیناپسی با رهایش افتراقی با واسطه حساسیت‌های مختلف یون کلسیم (Ca2+) ذخیره می‌شوند. یک پتانسیل عمل منفرد ممکن است یک مجموعه از وزیکول‌ها (سبز) را آزاد کند، در حالی که ممکن است چندین پتانسیل عمل برای آزاد کردن هر دو مجموعه وزیکول (سبز و بنفش) مورد نیاز باشد. ج، هم‌رسانی می‌تواند بر تفکیک فضایی جمعیت‌های وزیکول به بوتون‌های مختلف تکیه کند، که اجازه می‌دهد اطلاعات یکنواخت به اهداف پس سیناپسی مختلف منتقل شود.

ELECTRICAL EVENTS DURING NEURONAL EXCITATION

The electrical events in neuronal excitation have been studied especially in the large motor neurons of the anterior horns of the spinal cord. Therefore, the events described in the next few sections pertain essentially to these neurons. Except for quantitative differences, they also apply to most other neurons of the nervous system.

رویدادهای الکتریکی در حین برانگیختگی عصبی

رویدادهای الکتریکی در تحریک عصبی به ویژه در نورون‌های حرکتی بزرگ شاخ‌های قدامی‌نخاع مورد مطالعه قرار گرفته است. بنابراین، رویدادهایی که در چند بخش بعدی توضیح داده می‌شوند اساساً به این نورون‌ها مربوط می‌شوند. به جز تفاوت‌های کمی، آنها همچنین برای اکثر نورون‌های دیگر سیستم عصبی اعمال می‌شوند.

Resting Membrane Potential of the Neuronal Soma. Figure 46-9 shows the soma of a spinal motor neuron, indicating a resting membrane potential of about -65 milli- volts (mV). This resting membrane potential is somewhat less negative than that found in large peripheral nerve fibers and in skeletal muscle fibers; the lower voltage is important because it allows both positive and negative control of the degree of excitability of the neuron. That is, decreasing the voltage to a less negative value makes the membrane of the neuron more excitable, whereas in- creasing this voltage to a more negative value makes the neuron less excitable. This mechanism is the basis for the two modes of function of the neuron-either excitation or inhibition-as explained in the next sections.

پتانسیل استراحت غشای سومای عصبی. شکل ۴۶-۹، سوما یک نورون حرکتی نخاعی را نشان می‌دهد که پتانسیل غشای استراحت در حدود -۶۵ میلی‌ولت (mV) را نشان می‌دهد. این پتانسیل غشای استراحت تا حدودی منفی کمتر از آن است که در فیبرهای عصبی محیطی بزرگ و در فیبرهای عضلانی اسکلتی یافت می‌شود. ولتاژ کمتر مهم است زیرا امکان کنترل مثبت و منفی درجه تحریک پذیری نورون را فراهم می‌کند. یعنی کاهش ولتاژ به مقدار منفی کمتر باعث تحریک پذیری غشای نورون می‌شود، در حالی که افزایش این ولتاژ به مقدار منفی تر باعث می‌شود نورون کمتر تحریک شود. این مکانیسم مبنایی برای دو حالت عملکرد نورون است – اعم از تحریک یا مهار – همانطور که در بخش‌های بعدی توضیح داده شد.

Concentration Differences of lons Across the Neuronal Somal Membrane. Figure 46-9 also shows the concentration differences across the neuronal somal membrane of the three ions that are most important for neuronal function-sodium ions, potassium ions, and chloride ions. At the top of this figure, the sodium ion concentration is shown to be high in the extracellular fluid (142 mEq/L) but low inside the neuron (14 mEq/L). This sodium concentration gradient is caused by a strong somal membrane sodium pump that continually pumps sodium out of the neuron.

تفاوت غلظت لون‌ها در سراسر غشای سومالی عصبی. شکل ۴۶-۹ همچنین تفاوت غلظت سه یونی که برای عملکرد نورون مهم هستند – یون‌های سدیم، یون‌های پتاسیم و یون‌های کلرید در غشای سومالی عصبی را نشان می‌دهد. در بالای این شکل، غلظت یون سدیم در مایع خارج سلولی (mEq/L 142) زیاد اما در داخل نورون پایین (۱۴ mEq/L) است. این گرادیان غلظت سدیم توسط یک پمپ سدیم غشایی قوی ایجاد می‌شود که به طور مداوم سدیم را از نورون پمپ می‌کند.

Figure 46-9 also shows that potassium ion concentration is high inside the neuronal soma (120 mEq/L) but low in the extracellular fluid (4.5 mEq/L). Furthermore, it shows that there is a potassium pump (the other half of the Na+-K+ pump) that pumps potassium to the interior.

شکل ۴۶-۹ همچنین نشان می‌دهد که غلظت یون پتاسیم در داخل سومای عصبی زیاد است (۱۲۰ میلی اکی والان بر لیتر) اما در مایع خارج سلولی کم است (۵/۴ میلی اکی والان در لیتر). علاوه بر این، نشان می‌دهد که یک پمپ پتاسیم (نیمه دیگر پمپ Na+-K+) وجود دارد که پتاسیم را به داخل پمپ می‌کند.

Figure 46-9 depicts the chloride ion to be of high con- centration in the extracellular fluid but of low concentration inside the neuron. The membrane may be somewhat permeable to chloride ions, and there may be a weak chloride pump. Yet, most of the reason for the low con- centration of chloride ions inside the neuron is the -65 mV in the neuron. That is, this negative voltage repels the negatively charged chloride ions, forcing them outward through channels until the concentration is much less inside the membrane than outside.

شکل ۴۶-۹ یون کلرید را با غلظت بالا در مایع خارج سلولی اما غلظت کم در داخل نورون نشان می‌دهد. غشا ممکن است تا حدودی در برابر یون‌های کلرید نفوذپذیر باشد و ممکن است یک پمپ کلرید ضعیف وجود داشته باشد. با این حال، بیشتر دلیل غلظت کم یون‌های کلرید در داخل نورون، mV-65 در نورون است. یعنی این ولتاژ منفی یون‌های کلرید با بار منفی را دفع می‌کند و آنها را از طریق کانال‌ها به بیرون وادار می‌کند تا زمانی که غلظت آن در داخل غشاء بسیار کمتر از خارج شود.

Let us recall from Chapters 4 and 5 that an electrical potential across the cell membrane can oppose movement of ions through a membrane if the potential is of proper polarity and magnitude. A potential that exactly opposes movement of an ion is called the Nernst potential for that ion, represented by the following equation:

اجازه دهید از فصول ۴ و ۵ به یاد بیاوریم که اگر پتانسیل از قطبیت و بزرگی مناسب برخوردار باشد، یک پتانسیل الکتریکی در سراسر غشای سلولی می‌تواند با حرکت یون‌ها در یک غشاء مخالفت کند. پتانسیلی که دقیقاً مخالف حرکت یک یون باشد، پتانسیل نرنست برای آن یون نامیده می‌شود که با معادله زیر نشان داده می‌شود:

where EMF (electromotive force) is the Nernst potential in millivolts on the inside of the membrane. The potential will be negative (-) for positive ions and positive (+) for negative ions.

که در آن EMF (نیروی محرکه الکتریکی) پتانسیل Nernst بر حسب میلی ولت در داخل غشا است. پتانسیل برای یون‌های مثبت منفی (-) و برای یون‌های منفی مثبت (+) خواهد بود.

Now let us calculate the Nernst potential that will exactly oppose the movement of each of the three separate ions-sodium, potassium, and chloride.

حال اجازه دهید پتانسیل نرنست را محاسبه کنیم که دقیقاً با حرکت هر یک از سه یون مجزا یعنی سدیم، پتاسیم و کلرید مخالف است.

For the sodium concentration difference shown in Figure 46-9 (142 mEq/L on the exterior and 14 mEq/L on the interior), the membrane potential that will exactly oppose sodium ion movement through the sodium channels calculates to be +61 mV. However, the actual membrane potential is -65 mV, not +61 mV. Therefore, the sodium ions that leak to the interior are immediately pumped back to the exterior by the sodium pump, thus maintaining the -65-mV negative potential inside the neuron.

برای تفاوت غلظت سدیم نشان داده شده در شکل ۴۶-۹ (۱۴۲ mEq/L در بیرون و ۱۴ mEq/L در داخل)، پتانسیل غشایی که دقیقاً با حرکت یون سدیم در کانال‌های سدیم مخالفت می‌کند، ۶۱+ mV محاسبه می‌شود. با این حال، پتانسیل واقعی غشاء ۶۵- میلی ولت است، نه ۶۱+ میلی ولت. بنابراین، یون‌های سدیمی‌که به داخل نشت می‌کنند، بلافاصله توسط پمپ سدیم به بیرون پمپ می‌شوند، بنابراین پتانسیل منفی ۶۵-mV در داخل نورون حفظ می‌شود.

For potassium ions, the concentration gradient is 120 mEq/L inside the neuron and 4.5 mEq/L outside. This concentration gradient calculates to be a Nernst potential of -86 mV inside the neuron, which is more negative than the -65 that actually exists. Therefore, because of the high intracellular potassium ion concentration, there is a net tendency for potassium ions to diffuse to the outside of the neuron, but this action is opposed by continual pumping of these potassium ions back to the interior.

برای یون‌های پتاسیم، گرادیان غلظت ۱۲۰ mEq/L در داخل نورون و ۴.۵ mEq/L در خارج است. این گرادیان غلظت به عنوان پتانسیل نرنست ۸۶- میلی ولت در داخل نورون محاسبه می‌شود که منفی تر از -۶۵ است که در واقع وجود دارد. بنابراین، به دلیل غلظت بالای یون پتاسیم درون سلولی، تمایل خالص برای انتشار یون‌های پتاسیم به خارج از نورون وجود دارد، اما این عمل با پمپاژ مداوم این یون‌های پتاسیم به داخل مخالف است.

Finally, the chloride ion gradient, 107 mEq/L outside and 8 mEq/L inside, yields a Nernst potential of -70 mV inside the neuron, which is only slightly more negative than the actual measured value of -65 mV. Therefore, chloride ions tend to leak very slightly to the interior of the neuron, but those few that do leak are moved back to the exterior, perhaps by an active chloride pump.

در نهایت، گرادیان یون کلرید، ۱۰۷ mEq/L در خارج و ۸ mEq/L در داخل، پتانسیل Nernst 70-mV را در داخل نورون ایجاد می‌کند که فقط کمی‌منفی‌تر از مقدار واقعی اندازه‌گیری شده mV65- است. بنابراین، یون‌های کلرید تمایل به نشت بسیار کمی‌به داخل نورون دارند، اما آن تعداد کمی‌که نشت می‌کنند، احتمالاً توسط یک پمپ کلرید فعال به بیرون منتقل می‌شوند.

Keep these three Nernst potentials in mind, and remember the direction in which the different ions tend to diffuse, because this information is important in under- standing both excitation and inhibition of the neuron by synapse activation or inactivation of ion channels.

این سه پتانسیل نرنست را در ذهن داشته باشید و جهتی را که یونهای مختلف تمایل به انتشار در آن دارند را به خاطر بسپارید، زیرا این اطلاعات در درک تحریک و مهار نورون توسط فعالسازی سیناپس یا غیرفعال شدن کانالهای یونی مهم است.

Figure 46-9.
Distribution of sodium, potassium, and chloride ions across the neuronal somal membrane; origin of the intrasomal mem- brane potential.

شکل ۴۶-۹.
توزیع یون‌های سدیم، پتاسیم و کلرید در سراسر غشای عصبی سومالی. منشاء پتانسیل غشای داخل زومی.

Uniform Distribution of Electrical Potential Inside the Neuronal Soma. The interior of the neuronal soma contains a highly conductive electrolytic solution, the intra- cellular fluid of the neuron. Furthermore, the diameter of the neuronal soma is large (from 10 to 80 micrometers), causing almost no resistance to conduction of electric current from one part of the somal interior to another part. Therefore, any change in potential in any part of the intrasomal fluid causes an almost exactly equal change in potential at all other points inside the soma, as long as the neuron is not transmitting an action potential. This principle is important because it plays a major role in “summation” of signals entering the neuron from multiple sources, as we shall see in subsequent sections of this chapter.

توزیع یکنواخت پتانسیل الکتریکی در داخل سوما عصبی. درون سومای عصبی حاوی یک محلول الکترولیتی بسیار رسانا، مایع درون سلولی نورون است. علاوه بر این، قطر سومای عصبی بزرگ است (از ۱۰ تا ۸۰ میکرومتر) و تقریباً هیچ مقاومتی در برابر رسانش جریان الکتریکی از یک قسمت داخلی بدن به قسمت دیگر ایجاد نمی‌کند. بنابراین، هر گونه تغییر در پتانسیل در هر بخشی از مایع درون‌زومی‌باعث تغییر تقریباً یکسانی در پتانسیل در سایر نقاط داخل سوما می‌شود، تا زمانی که نورون پتانسیل عمل را منتقل نکند. این اصل مهم است زیرا نقش عمده‌ای در «جمع‌بندی» سیگنال‌هایی دارد که از منابع متعدد وارد نورون می‌شوند، همانطور که در بخش‌های بعدی این فصل خواهیم دید.

Effect of Synaptic Excitation on the Postsynaptic Membrane-Excitatory Postsynaptic Potential. Figure 46-10A shows the resting neuron with an unexcited presynaptic terminal resting on its surface. The resting membrane potential everywhere in the soma is -65 mV.

اثر تحریک سیناپسی بر پتانسیل پس سیناپسی غشاء-تحریکی پس سیناپسی. شکل ۴۶-10A نورون در حال استراحت را با یک پایانه پیش سیناپسی تحریک نشده نشان می‌دهد که روی سطح آن قرار دارد. پتانسیل استراحت غشاء در همه جای سوما ۶۵- میلی ولت است.

Figure 46-10B shows a presynaptic terminal that has secreted an excitatory transmitter into the cleft between the terminal and neuronal somal membrane. This transmitter acts on the membrane excitatory receptor to increase the membrane’s permeability to Na*. Because of the large sodium concentration gradient and large electrical negativity inside the neuron, sodium ions diffuse rap- idly to the inside of the membrane.

شکل ۴۶-10B یک پایانه پیش سیناپسی را نشان می‌دهد که یک فرستنده تحریکی را در شکاف بین پایانه و غشای سومالی عصبی ترشح کرده است. این فرستنده بر روی گیرنده تحریک کننده غشاء عمل می‌کند تا نفوذپذیری غشا نسبت به Na* را افزایش دهد. به دلیل شیب زیاد غلظت سدیم و منفی بودن الکتریکی زیاد درون نورون، یون‌های سدیم به سرعت در داخل غشاء پخش می‌شوند.

The rapid influx of positively charged sodium ions to the interior neutralizes part of the negativity of the resting membrane potential. Thus, in Figure 46-10B, the resting membrane potential has increased in the positive direction from -65 to -45 mV. This positive increase in voltage above the normal resting neuronal potential—that is, to a less negative value-is called the excitatory postsynaptic potential (EPSP), because if this potential rises high enough in the positive direction, it will elicit an action potential in the postsynaptic neuron, thus exciting it. (In this case, the EPSP is +20 mV-i.e., 20 mV more positive than the resting value.)

هجوم سریع یون‌های سدیم با بار مثبت به داخل، بخشی از منفی بودن پتانسیل غشای در حال استراحت را خنثی می‌کند. بنابراین، در شکل ۴۶-10B، پتانسیل غشاء استراحت در جهت مثبت از ۶۵- به ۴۵- میلی ولت افزایش یافته است. این افزایش مثبت در ولتاژ بالاتر از پتانسیل نورونی در حال استراحت طبیعی – یعنی به مقدار کمتر منفی – پتانسیل پس سیناپسی تحریکی (EPSP) نامیده می‌شود، زیرا اگر این پتانسیل در جهت مثبت به اندازه کافی بالا برود، یک پتانسیل عمل در نورون پس سیناپسی ایجاد می‌کند و در نتیجه آن را تحریک می‌کند. (در این مورد، EPSP +20 میلی ولت است، یعنی ۲۰ میلی ولت مثبت تر از مقدار استراحت است.)

Discharge of a single presynaptic terminal can never increase the neuronal potential from -65 mV all the way up to -45 mV. An increase of this magnitude requires simultaneous discharge of many terminals-about 40 to 80 for the usual anterior motor neuron-at the same time or in rapid succession. This simultaneous discharge occurs by a process called summation, discussed in the next sections.

تخلیه یک پایانه پیش سیناپسی منفرد هرگز نمی‌تواند پتانسیل عصبی را از ۶۵- میلی ولت تا ۴۵- میلی ولت افزایش دهد. افزایش این بزرگی مستلزم تخلیه همزمان بسیاری از پایانه‌ها – حدود ۴۰ تا ۸۰ برای نورون حرکتی معمولی قدامی‌- به طور همزمان یا متوالی سریع است. این تخلیه همزمان با فرآیندی به نام جمع اتفاق می‌افتد که در بخش‌های بعدی مورد بحث قرار می‌گیرد.

Figure 46-10.
Three states of a neuron. A, Resting neuron, with a normal intraneuronal potential of -65 mV. B, Neuron in an excited state, with a less negative intraneuronal potential (-45 mV) caused by sodium influx. C, Neuron in an inhibited state, with a more negative intraneuronal membrane potential (-70 mV) caused by potassium ion efflux, chloride ion influx, or both.

شکل ۴۶-۱۰.
سه حالت یک نورون A، نورون در حال استراحت، با پتانسیل درون عصبی طبیعی -۶۵ میلی ولت. B، نورون در حالت برانگیخته، با پتانسیل درون عصبی منفی کمتر (۴۵- میلی ولت) ناشی از هجوم سدیم. C، نورون در حالت مهار شده، با پتانسیل غشای درون عصبی منفی تر (mV70-) ناشی از جریان یون پتاسیم، هجوم یون کلرید یا هر دو.

Generation of Action Potentials in the Initial Segment of the Axon Leaving the Neuron-Threshold for Excitation. When the EPSP rises high enough in the positive direction, there comes a point at which this rise initiates an action potential in the neuron. However, the action potential does not begin adjacent to the excitatory synapses. Instead, it begins in the initial segment of the axon where the axon leaves the neuronal soma. The main reason for this point of origin of the action potential is that the soma has relatively few voltage-gated sodium channels in its membrane, which makes it difficult for the EPSP to open the required number of sodium channels to elicit an action potential. Conversely, the membrane of the initial segment has seven times as great a concentration of voltage-gated sodium channels as the soma and, there- fore, can generate an action potential with much greater ease than can the soma. The EPSP that will elicit an action potential in the axon initial segment is between +10 and +20 mV, in contrast to the +30 or +40 mV or more required on the soma.

تولید پتانسیل‌های عمل در بخش اولیه آکسون که از آستانه نورون برای تحریک خارج می‌شود. هنگامی‌که EPSP به اندازه کافی در جهت مثبت بالا می‌رود، نقطه ای فرا می‌رسد که در آن این افزایش یک پتانسیل عمل در نورون را آغاز می‌کند. با این حال، پتانسیل عمل در مجاورت سیناپس‌های تحریکی شروع نمی‌شود. در عوض، در بخش اولیه آکسون که آکسون سوما عصبی را ترک می‌کند، شروع می‌شود. دلیل اصلی این نقطه منشأ پتانسیل عمل این است که سوما دارای کانال‌های سدیم دارای ولتاژ نسبتا کمی‌در غشای خود است، که باز کردن تعداد مورد نیاز کانال‌های سدیم برای استخراج پتانسیل عمل را برای EPSP دشوار می‌کند. برعکس، غشای قطعه اولیه هفت برابر بیشتر از سوما دارای غلظت کانال‌های سدیم دارای ولتاژ است و بنابراین، می‌تواند پتانسیل عمل را با سهولت بسیار بیشتری نسبت به سوما ایجاد کند. EPSP که پتانسیل عمل را در بخش اولیه آکسون ایجاد می‌کند بین ۱۰+ و ۲۰+ میلی‌ولت است، برخلاف ۳۰+ یا ۴۰+ میلی‌ولت یا بیشتر مورد نیاز در سوما.

Once the action potential begins, it travels peripherally along the axon and usually also backward over the soma. In some cases, it travels backward into the dendrites but not into all of them because they, like the neuronal soma, have very few voltage-gated sodium channels and there- fore frequently cannot generate action potentials at all. Thus, in Figure 46-10B, the threshold for excitation of the neuron is shown to be about -45 mV, which represents an EPSP of +20 mV-that is, 20 mV more positive than the normal resting neuronal potential of -65 mV.

هنگامی‌که پتانسیل عمل شروع می‌شود، به صورت محیطی در امتداد آکسون و معمولاً به سمت عقب روی سوما حرکت می‌کند. در برخی موارد، به سمت عقب به داخل دندریت‌ها حرکت می‌کند، اما نه به داخل همه آنها، زیرا آنها، مانند سومای عصبی، کانال‌های سدیم دردار ولتاژی بسیار کمی‌دارند و بنابراین اغلب نمی‌توانند پتانسیل عمل ایجاد کنند. بنابراین، در شکل ۴۶-10B، آستانه تحریک نورون حدود ۴۵- میلی ولت نشان داده شده است که نشان دهنده EPSP 20+ میلی ولت است، یعنی ۲۰ میلی ولت مثبت تر از پتانسیل نورونی در حال استراحت طبیعی ۶۵ میلی ولت.

ELECTRICAL EVENTS DURING NEURONAL INHIBITION

رویدادهای الکتریکی در طول مهار عصبی

 

Effect of Inhibitory Synapses on the Postsynaptic Membrane-Inhibitory Postsynaptic Potential. The inhibitory synapses mainly open chloride channels, allowing for easier passage of chloride ions. To understand how the inhibitory synapses inhibit the postsynaptic neuron, we must recall what we learned about the Nernst potential for chloride ions. We calculated the Nernst potential for chloride ions to be about -70 mV. This potential is more negative than the -65 mV normally present inside the resting neuronal membrane. Therefore, opening the chloride channels will allow negatively charged chloride ions to move from the extracellular fluid to the interior, which will make the interior membrane potential more negative than normal, approaching the -70 mV level.

اثر سیناپس‌های مهاری بر پتانسیل پس سیناپسی غشاء-بازدارندگی پس سیناپسی. سیناپس‌های بازدارنده عمدتاً کانال‌های کلریدی را باز می‌کنند و اجازه عبور آسان‌تر یون‌های کلرید را می‌دهند. برای درک اینکه چگونه سیناپس‌های بازدارنده نورون پس سیناپسی را مهار می‌کنند، باید آنچه را که در مورد پتانسیل نرنست برای یون‌های کلرید آموختیم را به یاد بیاوریم. ما پتانسیل نرنست را برای یون‌های کلرید در حدود -۷۰ میلی ولت محاسبه کردیم. این پتانسیل منفی تر از mV-65 است که معمولاً در داخل غشای عصبی در حال استراحت وجود دارد. بنابراین، باز کردن کانال‌های کلرید به یون‌های کلرید با بار منفی اجازه می‌دهد از مایع خارج سلولی به داخل حرکت کنند، که باعث می‌شود پتانسیل غشای داخلی منفی‌تر از حد معمول باشد و به سطح mV-70 نزدیک شود.

Opening potassium channels will allow positively charged potassium ions to move to the exterior and will also make the interior membrane potential more negative than usual. Thus, both chloride influx and potassium efflux increase the degree of intracellular negativity, called hyperpolarization. The neuron is inhibited because the membrane potential is even more negative than the normal intracellular potential. Therefore, an increase in negativity beyond the normal resting membrane potential level is called an inhibitory postsynaptic potential (IPSP).

باز کردن کانال‌های پتاسیم به یون‌های پتاسیم با بار مثبت اجازه می‌دهد به سمت بیرون حرکت کنند و همچنین پتانسیل غشای داخلی را منفی‌تر از حد معمول می‌کند. بنابراین، هم هجوم کلرید و هم خروج پتاسیم باعث افزایش درجه منفی درون سلولی می‌شود که به آن‌هایپرپلاریزاسیون گفته می‌شود. نورون مهار می‌شود زیرا پتانسیل غشاء حتی منفی تر از پتانسیل طبیعی درون سلولی است. بنابراین، افزایش منفی فراتر از سطح پتانسیل غشای استراحت طبیعی، پتانسیل پس سیناپسی مهاری (IPSP) نامیده می‌شود.

Figure 46-10C shows the effect on the membrane potential caused by activation of inhibitory synapses, allowing chloride influx into the cell and/or potassium efflux out of the cell, with the membrane potential decreasing from its normal value of -65 mV to the more negative value of -70 mV. This membrane potential is 5 mV more negative than normal and is therefore an IPSP of -5 mV, which inhibits transmission of the nerve signal through the synapse.

شکل ۴۶-10C اثر روی پتانسیل غشایی ناشی از فعال شدن سیناپس‌های بازدارنده را نشان می‌دهد، که اجازه می‌دهد کلرید به داخل سلول و/یا جریان پتاسیم به خارج از سلول، با پتانسیل غشایی وارد شود.از مقدار نرمال آن ۶۵- میلی ولت به بیشتر کاهش می‌یابد مقدار منفی ۷۰- میلی ولت این پتانسیل غشایی ۵ میلی ولت منفی تر از حالت عادی است و بنابراین یک IPSP 5- میلی ولت است که از انتقال سیگنال عصبی از طریق سیناپس جلوگیری می‌کند.

Presynaptic Inhibition

In addition to postsynaptic inhibition caused by inhibitory synapses operating at the neuronal membrane, presynaptic inhibition often occurs at the presynaptic terminals before the signal ever reaches the synapse.

مهار پیش سیناپسی

علاوه بر مهار پس سیناپسی ناشی از سیناپس‌های مهاری که در غشای عصبی عمل می‌کنند، مهار پیش سیناپسی اغلب قبل از رسیدن سیگنال به سیناپس در پایانه‌های پیش سیناپسی رخ می‌دهد.

Presynaptic inhibition is caused by release of an inhibitory substance onto the outsides of the presynaptic nerve fibrils before their own endings terminate on the post- synaptic neuron. In most cases, the inhibitory transmitter substance is GABA, which opens anion channels, allowing large numbers of chloride ions to diffuse into the terminal fibril. The negative charges of these ions inhibit synaptic transmission because they cancel much of the excitatory effect of the positively charged sodium ions that also enter the terminal fibrils when an action potential arrives.

مهار پیش سیناپسی در اثر انتشار یک ماده بازدارنده در قسمت‌های خارجی فیبریل‌های عصبی پیش سیناپسی قبل از اینکه انتهای خود به نورون پس سیناپسی ختم شود، ایجاد می‌شود. در بیشتر موارد، ماده فرستنده بازدارنده GABA است که کانال‌های آنیونی را باز می‌کند و به تعداد زیادی یون کلرید اجازه انتشار به فیبریل انتهایی می‌دهد. بارهای منفی این یون‌ها انتقال سیناپسی را مهار می‌کنند، زیرا آنها بسیاری از اثر تحریکی یون‌های سدیم با بار مثبت را که در هنگام رسیدن پتانسیل عمل به فیبریل‌های انتهایی وارد می‌شوند، خنثی می‌کنند.

Presynaptic inhibition occurs in many of the sensory pathways in the nervous system. In fact, adjacent sensory nerve fibers often mutually inhibit one another, which minimizes sideways spread and mixing of signals in sensory tracts. We discuss the importance of this phenomenon more fully in subsequent chapters.

مهار پیش سیناپسی در بسیاری از مسیرهای حسی در سیستم عصبی رخ می‌دهد. در واقع، رشته‌های عصبی حسی مجاور اغلب به طور متقابل یکدیگر را مهار می‌کنند، که انتشار جانبی و اختلاط سیگنال‌ها را در دستگاه‌های حسی به حداقل می‌رساند. اهمیت این پدیده را در فصل‌های بعدی به طور کامل تر مورد بحث قرار می‌دهیم.

Time Course of Postsynaptic Potentials

When an excitatory synapse excites the anterior motor neuron, the neuronal membrane becomes highly permeable to sodium ions for 1 to 2 milliseconds. During this short time, enough sodium ions diffuse to the interior of the postsynaptic motor neuron to increase its intraneuronal potential by a few millivolts, thus creating the EPSP shown by the blue and green curves of Figure 46-11. This potential then slowly declines over the next 15 milliseconds because this is the time required for the excess positive charges to leak out of the excited neuron and re- establish the normal resting membrane potential.

دوره زمانی پتانسیل‌های پس سیناپسی

هنگامی‌که یک سیناپس تحریکی نورون حرکتی قدامی‌را تحریک می‌کند، غشای عصبی به مدت ۱ تا ۲ میلی ثانیه به یون‌های سدیم بسیار نفوذپذیر می‌شود. در طی این مدت کوتاه، یون‌های سدیم به اندازه کافی در داخل نورون حرکتی پس سیناپسی پخش می‌شود تا پتانسیل درون عصبی آن را چند میلی ولت افزایش دهد، بنابراین EPSP نشان داده شده توسط منحنی‌های آبی و سبز شکل ۴۶-۱۱ را ایجاد می‌کند. سپس این پتانسیل در ۱۵ میلی ثانیه آینده به آرامی‌کاهش می‌یابد زیرا این زمان لازم است تا بارهای مثبت اضافی از نورون برانگیخته نشت کند و پتانسیل طبیعی غشاء استراحت را دوباره برقرار کند.

Precisely the opposite effect occurs for an IPSP. That is, the inhibitory synapse increases the permeability of the mem- brane to potassium or chloride ions, or both, for 1 to 2 milli- seconds, and this action decreases the intraneuronal potential to a more negative value than normal, thereby creating the IPSP. This potential also dies away in about 15 milliseconds.

دقیقاً اثر معکوس برای IPSP رخ می‌دهد. یعنی سیناپس مهاری نفوذپذیری غشاء به یون‌های پتاسیم یا کلرید یا هر دو را به مدت ۱ تا ۲ میلی ثانیه افزایش می‌دهد و این عمل پتانسیل درون عصبی را به مقدار منفی تر از حد طبیعی کاهش می‌دهد و در نتیجه IPSP را ایجاد می‌کند. این پتانسیل نیز در حدود ۱۵ میلی ثانیه از بین می‌رود.

Other types of transmitter substances can excite or inhibit the postsynaptic neuron for much longer periods for hundreds of milliseconds or even for seconds, minutes, or hours. This is especially true for some of the neuropeptide transmitters.

انواع دیگر مواد فرستنده می‌توانند نورون پس سیناپسی را برای دوره‌های بسیار طولانی تری برای صدها میلی ثانیه یا حتی برای ثانیه، دقیقه یا ساعت برانگیخته یا مهار کنند. این به ویژه برای برخی از فرستنده‌های نوروپپتیدی صادق است.

Figure 46-11.
Excitatory postsynaptic potentials. This shows that simultaneous firing of only a few synapses will not cause sufficient summated potential to elicit an action potential but that simultaneous firing of many synapses will raise the summated potential to threshold for excitation and cause a superimposed action potential.

شکل ۴۶-۱۱.
پتانسیل‌های پس سیناپسی تحریکی این نشان می‌دهد که شلیک همزمان تنها چند سیناپس باعث ایجاد پتانسیل جمع‌شده کافی برای برانگیختن پتانسیل عمل نمی‌شود، اما شلیک همزمان بسیاری از سیناپس‌ها پتانسیل جمع‌شده را تا آستانه تحریک افزایش می‌دهد و باعث ایجاد پتانسیل عمل روی هم می‌شود.

“Spatial Summation” in Neurons- Threshold for Firing

Excitation of a single presynaptic terminal on the surface of a neuron almost never excites the neuron. The amount of transmitter released by a single terminal to cause an EPSP is usually no more than 0.5 to 1 mV instead of the 10 to 20 mV normally required to reach threshold for excitation.

“جمع فضایی” در نورون‌ها – آستانه شلیک

تحریک یک پایانه پیش سیناپسی روی سطح یک نورون تقریباً هرگز نورون را تحریک نمی‌کند. مقدار فرستنده ای که توسط یک ترمینال منفرد برای ایجاد EPSP آزاد می‌شود، معمولاً به جای ۱۰ تا ۲۰ میلی ولت که معمولاً برای رسیدن به آستانه تحریک لازم است، بیشتر از ۰.۵ تا ۱ میلی ولت نیست.

However, many presynaptic terminals are usually stimulated at the same time. Even though these terminals are spread over wide areas of the neuron, their effects can still summate; that is, they can add to one another until neuronal excitation occurs. We pointed out earlier that a change in potential at any single point within the soma will cause the potential to change almost equally every- where inside the soma. Therefore, for each excitatory syn- apse that discharges simultaneously, the total intrasomal potential becomes more positive by 0.5 to 1.0 mV. When the EPSP becomes great enough, the threshold for firing will be reached, and an action potential will develop spontaneously in the initial segment of the axon, as shown in Figure 46-11. The bottom postsynaptic potential in the figure was caused by simultaneous stimulation of 4 syn- apses; the next higher potential was caused by stimulation of 8 synapses; finally, a still higher EPSP was caused by stimulation of 16 synapses. In this last case, the firing threshold had been reached, and an action potential was generated in the axon.

با این حال، بسیاری از پایانه‌های پیش سیناپسی معمولاً همزمان تحریک می‌شوند. حتی اگر این پایانه‌ها در مناطق وسیعی از نورون پخش شده اند، اثرات آنها هنوز هم می‌تواند خلاصه شود. یعنی می‌توانند تا زمانی که تحریک عصبی اتفاق بیفتد به یکدیگر اضافه شوند. ما قبلاً اشاره کردیم که تغییر پتانسیل در هر نقطه منفرد در سوما باعث می‌شود که پتانسیل تقریباً به همان اندازه در همه جای سوما تغییر کند. بنابراین، برای هر سیناپس تحریکی که به طور همزمان تخلیه می‌شود، پتانسیل کل اینترازومال ۰.۵ تا ۱.۰ میلی ولت مثبت تر می‌شود. همانطور که در شکل ۴۶-۱۱ نشان داده شده است، زمانی که EPSP به اندازه کافی بزرگ شود، آستانه شلیک به دست می‌آید و یک پتانسیل عمل به طور خود به خود در بخش اولیه آکسون ایجاد می‌شود. پتانسیل پس سیناپسی پایین در شکل توسط تحریک همزمان ۴ سیناپس ایجاد شد. پتانسیل بالاتر بعدی توسط تحریک ۸ سیناپس ایجاد شد. در نهایت، EPSP هنوز بالاتر با تحریک ۱۶ سیناپس ایجاد شد. در این مورد آخر، آستانه شلیک رسیده بود و پتانسیل عمل در آکسون ایجاد شد.

This effect of summing simultaneous postsynaptic potentials by activating multiple terminals on widely spaced areas of the neuronal membrane is called spatial summation.

این اثر جمع پتانسیل‌های پس سیناپسی همزمان با فعال کردن پایانه‌های چندگانه در نواحی با فاصله وسیع از غشای عصبی، جمع فضایی نامیده می‌شود.

“Temporal Summation” Caused by Successive Discharges of a Presynaptic Terminal

Each time a presynaptic terminal fires, the released transmitter substance opens the membrane channels for at most 1 or 2milliseconds. However, the changed postsynaptic potential lasts up to 15 milliseconds after the synaptic membrane channels have already closed. Therefore, a second opening of the same channels can increase the postsynaptic potential to a still greater level, and the more rapid the rate of stimulation, the greater the postsynaptic potential becomes. Thus, successive discharges from a single presynaptic terminal, if they occur rapidly enough,can add to one another; that is, they can summate. This type of summation is called temporal summation.

“جمع زمانی” ناشی از تخلیه‌های متوالی یک پایانه پیش سیناپسی

هر بار که یک پایانه پیش سیناپسی شلیک می‌شود، ماده فرستنده آزاد شده کانال‌های غشایی را حداکثر برای ۱ یا ۲ میلی ثانیه باز می‌کند. با این حال، پتانسیل پس سیناپسی تغییر یافته تا ۱۵ میلی ثانیه پس از بسته شدن کانال‌های غشای سیناپسی باقی می‌ماند. بنابراین، باز شدن دوم از همان کانال‌ها می‌تواند پتانسیل پس سیناپسی را به سطح بیشتری افزایش دهد و هر چه سرعت تحریک سریع‌تر باشد، پتانسیل پس سیناپسی بیشتر می‌شود. بنابراین، تخلیه‌های پی در پی از یک پایانه پیش سیناپسی، اگر به اندازه کافی سریع رخ دهند، می‌توانند به یکدیگر اضافه شوند. یعنی می‌توانند جمع کنند. به این نوع جمع، جمع زمانی می‌گویند.

Simultaneous Summation of Inhibitory and Excitatory Postsynaptic Potentials. If an IPSP tends to decrease the membrane potential to a more negative value while an EPSP tends to increase the potential at the same time, these two effects can completely or partially nullify each other. Thus, if a neuron is being excited by an EPSP, an inhibitory signal from another source can often reduce the postsynaptic potential to less than threshold value for excitation, thus turning off the activity of the neuron.

جمع همزمان پتانسیل‌های پس سیناپسی مهاری و تحریکی. اگر IPSP تمایل به کاهش پتانسیل غشاء به مقدار منفی تری داشته باشد در حالی که یک EPSP تمایل به افزایش پتانسیل در همان زمان داشته باشد، این دو اثر می‌توانند به طور کامل یا جزئی یکدیگر را باطل کنند. بنابراین، اگر یک نورون توسط یک EPSP برانگیخته شود، یک سیگنال بازدارنده از منبع دیگر اغلب می‌تواند پتانسیل پس سیناپسی را به کمتر از مقدار آستانه برای تحریک کاهش دهد، بنابراین فعالیت نورون را خاموش می‌کند.

Facilitation of Neurons

Often, the summated postsynaptic potential is excitatory but has not risen high enough to reach the threshold for firing by the postsynaptic neuron. When this situation occurs, the neuron is said to be facilitated. That is, its membrane potential is nearer the threshold for firing than normal but is not yet at the firing level. Consequently, another excitatory signal entering the neuron from some other source can then excite the neuron very easily. Diffuse signals in the nervous system often do facilitate large groups of neurons so that they can respond quickly and easily to signals arriving from other sources.

تسهیل نورون‌ها

اغلب، پتانسیل پس سیناپسی جمع‌آوری‌شده تحریک‌کننده است، اما به اندازه کافی بالا نرفت که به آستانه شلیک توسط نورون پس سیناپسی برسد. هنگامی‌که این وضعیت رخ می‌دهد، گفته می‌شود که نورون تسهیل می‌شود. یعنی پتانسیل غشایی آن از حد معمول به آستانه شلیک نزدیکتر است اما هنوز در سطح شلیک نیست. در نتیجه، سیگنال تحریکی دیگری که از منبع دیگری وارد نورون می‌شود، می‌تواند نورون را به راحتی تحریک کند. سیگنال‌های منتشر در سیستم عصبی اغلب گروه‌های بزرگی از نورون‌ها را تسهیل می‌کنند تا بتوانند به سرعت و آسانی به سیگنال‌هایی که از منابع دیگر می‌رسند پاسخ دهند.

SPECIAL FUNCTIONS OF DENDRITES FOR EXCITING NEURONS

عملکردهای ویژه دندریت‌ها برای نورون‌های هیجان انگیز

 

Large Spatial Field of Excitation of Dendrites. The dendrites of the anterior motor neurons often extend 500 to 1000 micrometers in all directions from the neuronal soma, and these dendrites can receive signals from a large spatial area around the motor neuron. This feature pro- vides a vast opportunity for summation of signals from many separate presynaptic nerve fibers.

میدان فضایی بزرگ تحریک دندریت‌ها. دندریت‌های نورون‌های حرکتی قدامی‌معمولاً از سوما عصبی در تمام جهات ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ میکرومتر گسترش می‌یابند و این دندریت‌ها می‌توانند سیگنال‌هایی را از یک منطقه فضایی بزرگ در اطراف نورون حرکتی دریافت کنند. این ویژگی فرصت وسیعی را برای جمع‌بندی سیگنال‌های بسیاری از رشته‌های عصبی پیش‌سیناپسی مجزا فراهم می‌کند.

It is also important that between 80% and 95% of all the presynaptic terminals of the anterior motor neuron terminate on dendrites, in contrast to only 5% to 20% terminating on the neuronal soma. Therefore, a large share of the excitation is provided by signals transmitted by way of the dendrites.

همچنین مهم است که بین ۸۰ تا ۹۵ درصد از تمام پایانه‌های پیش سیناپسی نورون حرکتی قدامی‌به دندریت ختم می‌شود، در مقابل تنها ۵ تا ۲۰ درصد به سوما عصبی ختم می‌شود. بنابراین، سهم بزرگی از برانگیختگی توسط سیگنال‌هایی که از طریق دندریت‌ها ارسال می‌شوند، تامین می‌شود.

Most Dendrites Cannot Transmit Action Potentials- But They Can Transmit Signals Within the Same Neuron by Electrotonic Conduction. Most dendrites fail to transmit action potentials because their mem- branes have relatively few voltage-gated sodium channels, and their thresholds for excitation are too high for action potentials to occur. Yet, they do transmit electrotonic cur- rent down the dendrites to the soma. Transmission of electrotonic current means direct spread of electrical cur- rent by ion conduction in the fluids of the dendrites but without the generation of action potentials. Stimulation (or inhibition) of the neuron by this current has special characteristics, as described next.

بیشتر دندریت‌ها نمی‌توانند پتانسیل‌های عمل را منتقل کنند، اما می‌توانند سیگنال‌ها را در همان نورون با رسانایی الکتروتونیک منتقل کنند. بیشتر دندریت‌ها قادر به انتقال پتانسیل عمل نیستند زیرا غشاهای آنها کانال‌های سدیمی‌نسبتاً کمی‌دارند و آستانه تحریک آنها برای وقوع پتانسیل عمل بسیار بالاست. با این حال، آنها جریان الکتروتونیک را از دندریت‌ها به سوما منتقل می‌کنند. انتقال جریان الکتروتونیک به معنای پخش مستقیم جریان الکتریکی توسط رسانش یونی در سیالات دندریت است اما بدون تولید پتانسیل عمل. تحریک (یا مهار) نورون توسط این جریان دارای ویژگی‌های خاصی است که در ادامه توضیح داده می‌شود.

Decrement of Electrotonic Conduction in the Dendrites-Greater Excitatory (or Inhibitory) Effect by Synapses Located Near the Soma. In Figure 46-12, multiple excitatory and inhibitory synapses are shown stimulating the dendrites of a neuron. On the two dendrites to the left, there are excitatory effects near the tip ends. Note the high levels of EPSPs at these ends-that is, note the less negative membrane potentials at these points. However, a large share of the EPSP is lost before it reaches the soma. The dendrites are long, and their mem- branes are thin and at least partially permeable to potassium and chloride ions, making them “leaky” to electric current. Therefore, before the excitatory potentials can reach the soma, a large share of the potential is lost by leakage through the membrane. This decrease in mem- brane potential as it spreads electrotonically along dendrites toward the soma is called decremental conduction.

کاهش رسانایی الکتروتونیک در اثر تحریکی (یا بازدارنده) دندریت‌ها توسط سیناپس‌های واقع در نزدیکی سوما. در شکل ۴۶-۱۲، سیناپس‌های تحریکی و مهاری متعدد نشان داده شده اند که دندریت‌های یک نورون را تحریک می‌کنند. در دو دندریت سمت چپ، اثرات تحریکی در نزدیکی انتهای نوک وجود دارد. به سطوح بالای EPSP در این انتها توجه کنید، یعنی به پتانسیل‌های منفی غشایی کمتر در این نقاط توجه کنید. با این حال، سهم بزرگی از EPSP قبل از رسیدن به سوما از بین می‌رود. دندریت‌ها بلند هستند و غشای آن‌ها نازک هستند و حداقل تا حدی در برابر یون‌های پتاسیم و کلرید قابل نفوذ هستند و باعث می‌شوند جریان الکتریکی «نشتی» داشته باشند. بنابراین، قبل از اینکه پتانسیل‌های تحریکی به سوما برسند، سهم زیادی از پتانسیل با نشت از طریق غشاء از بین می‌رود. این کاهش پتانسیل غشایی که به صورت الکتروتونیکی در امتداد دندریت‌ها به سمت سوما پخش می‌شود، هدایت کاهشی نامیده می‌شود.

The farther the excitatory synapse is from the soma of the neuron, the greater will be the decrement and the lesser will be excitatory signal reaching the soma. There- fore, the synapses that lie near the soma have far more effect in causing neuron excitation or inhibition than those that lie far away from the soma.

هر چه سیناپس تحریکی از سومای نورون دورتر باشد، کاهش بیشتر و سیگنال تحریکی کمتری به سوما می‌رسد. بنابراین، سیناپس‌هایی که در نزدیکی سوما قرار دارند، نسبت به سیناپس‌هایی که دورتر از سوما قرار دارند، در ایجاد تحریک یا مهار نورون تأثیر بیشتری دارند.

Summation of Excitation and Inhibition in Dendrites. The uppermost dendrite of Figure 46-12 is shown to be stimulated by both excitatory and inhibitory synapses. At the tip of the dendrite is a strong EPSP, but nearer the soma are two inhibitory synapses acting on the same dendrite. These inhibitory synapses provide a hyperpolarizing voltage that completely nullifies the excitatory effect and, indeed, transmits a small amount of inhibition by electrotonic conduction toward the soma. Thus, dendrites can summate excitatory and IPSPs in the same way as soma. Also shown in the figure are several inhibitory synapses located directly on the axon hillock and initial axon segment. This location provides especially powerful inhibition because it has the direct effect of increasing the threshold for excitation at the very point where the action potential is normally generated.  

جمع برانگیختگی و بازداری در دندریت‌ها. بالاترین دندریت شکل ۴۶-۱۲ نشان داده شده است که توسط سیناپس‌های تحریکی و مهاری تحریک می‌شود. در نوک دندریت یک EPSP قوی وجود دارد، اما نزدیک‌تر به سوما دو سیناپس بازدارنده روی یک دندریت عمل می‌کنند. این سیناپس‌های بازدارنده یک ولتاژ هیپرپلاریزه ایجاد می‌کنند که اثر تحریکی را کاملاً باطل می‌کند و در واقع مقدار کمی‌از مهار را با هدایت الکتروتونیک به سمت سوما منتقل می‌کند. بنابراین، دندریت‌ها می‌توانند تحریک کننده‌ها و IPSP‌ها را به همان روش سوما جمع کنند. همچنین در شکل چندین سیناپس بازدارنده که مستقیماً بر روی تپه آکسون و بخش اولیه آکسون قرار دارند نشان داده شده است. این مکان به ویژه مهار قدرتمندی را فراهم می‌کند زیرا تأثیر مستقیم افزایش آستانه تحریک در همان نقطه ای دارد که پتانسیل عمل به طور معمول ایجاد می‌شود.

Figure 46-12.
Stimulation of a neuron by presynaptic terminals located on dendrites, showing especially decremental conduction of excitatory (E) electrotonic potentials in the two dendrites to the left and inhibition (1) of dendritic excitation in the dendrite that is upper- most. A powerful effect of inhibitory synapses at the initial segment of the axon is also shown.

شکل ۴۶-۱۲.
تحریک یک نورون توسط پایانه‌های پیش سیناپسی واقع در دندریت‌ها، نشان دهنده هدایت کاهشی پتانسیل‌های الکتروتونیک تحریکی (E) در دو دندریت به سمت چپ و مهار (۱) تحریک دندریتی در دندریتی که بالاترین میزان است. اثر قدرتمند سیناپس‌های مهاری در بخش اولیه آکسون نیز نشان داده شده است.

Figure 46-13.
Response characteristics of different types of neurons to different levels of excitatory state.

شکل ۴۶-۱۳.
ویژگی‌های پاسخ انواع مختلف نورون‌ها به سطوح مختلف حالت تحریکی.

EXCITATION STATE OF THE NEURON AND RATE OF FIRING

حالت برانگیختگی نورون و سرعت شلیک

 

“Excitatory State” Is the Summated Degree of Excitatory Drive to the Neuron. If there is a higher degree of excitation than inhibition of the neuron at any given instant, it is in an excitatory state. Conversely, if there is more inhibition than excitation, the neuron is in an inhibitory state.

“حالت برانگیختگی” درجه مجموع رانش تحریکی به نورون است. اگر درجه تحریک بالاتری نسبت به مهار نورون در هر لحظه وجود داشته باشد، در حالت تحریکی است. برعکس، اگر بازداری بیشتر از تحریک وجود داشته باشد، نورون در حالت بازدارندگی قرار دارد.

When the excitatory state of a neuron rises above the threshold for excitation, the neuron will fire repetitively as long as the excitatory state remains at that level. Figure 46-13 shows responses of three types of neurons to varying levels of excitatory state. Note that neuron 1 has a low threshold for excitation, whereas neuron 3 has a high threshold. But, note also that neuron 2 has the lowest maximum frequency of discharge, whereas neuron 3 has the highest maximum frequency.

هنگامی‌که حالت تحریکی یک نورون از آستانه تحریک بالاتر می‌رود، تا زمانی که حالت تحریکی در آن سطح باقی بماند، نورون به طور مکرر شلیک می‌کند. شکل ۴۶-۱۳ پاسخ سه نوع نورون را به سطوح مختلف حالت تحریکی نشان می‌دهد. توجه داشته باشید که نورون ۱ آستانه کمی‌برای تحریک دارد، در حالی که نورون ۳ آستانه بالایی دارد. اما، همچنین توجه داشته باشید که نورون ۲ دارای کمترین فرکانس حداکثر تخلیه است، در حالی که نورون ۳ دارای بالاترین حداکثر فرکانس است.

Some neurons in the central nervous system fire continuously because even the normal excitatory state is above the threshold level. Their frequency of firing can usually be increased still more by further increasing their excitatory state. The frequency can be decreased, or firing can even be stopped, by super- imposing an inhibitory state on the neuron. Thus, different neurons respond differently, have different thresholds for excitation, and have widely differing maximum frequencies of discharge. With a little imagination, one can readily understand the importance of having different neurons with these many types of response characteristics to perform the widely varying functions of the nervous system.

برخی از سلول‌های عصبی در سیستم عصبی مرکزی به طور مداوم شلیک می‌کنند زیرا حتی حالت عادی تحریک بالاتر از سطح آستانه است. فرکانس شلیک آنها را معمولاً می‌توان با افزایش بیشتر حالت تحریکی آنها بیشتر افزایش داد. فرکانس را می‌توان کاهش داد یا حتی می‌توان شلیک را با اعمال یک حالت بازدارنده بر نورون متوقف کرد. بنابراین، نورون‌های مختلف به طور متفاوتی پاسخ می‌دهند، آستانه‌های متفاوتی برای تحریک دارند و حداکثر فرکانس‌های تخلیه بسیار متفاوتی دارند. با کمی‌تخیل، می‌توان به آسانی اهمیت داشتن نورون‌های مختلف با این انواع مختلف ویژگی‌های پاسخ را برای انجام عملکردهای بسیار متنوع سیستم عصبی درک کرد.

SPECIAL CHARACTERISTICS OF SYNAPTIC TRANSMISSION

ویژگی‌های خاص انتقال سیناپتیک

 

Fatigue of Synaptic Transmission. When excitatory synapses are repetitively stimulated at a rapid rate, the number of discharges by the postsynaptic neuron is at first very great, but the firing rate becomes progressively less in succeeding milliseconds or seconds. This phenomenon is called fatigue of synaptic transmission.

خستگی ناشی از انتقال سیناپسی. هنگامی‌که سیناپس‌های تحریکی به طور مکرر با سرعت سریع تحریک می‌شوند، تعداد تخلیه توسط نورون پس سیناپسی در ابتدا بسیار زیاد است، اما سرعت شلیک به تدریج در میلی ثانیه یا ثانیه کاهش می‌یابد. این پدیده خستگی ناشی از انتقال سیناپسی نامیده می‌شود.

Fatigue is an exceedingly important characteristic of synaptic function because when areas of the nervous system become overexcited, fatigue causes them to lose this excess excitability after a while. For example, fatigue is probably the most important means whereby the excess excitability of the brain during an epileptic seizure is finally subdued so that the seizure ceases. Thus, the development of fatigue is a protective mechanism against excess neuronal activity. This subject is discussed further in the description of reverberating neuronal circuits in Chapter 47.

خستگی یکی از ویژگی‌های بسیار مهم عملکرد سیناپسی است زیرا زمانی که نواحی سیستم عصبی بیش از حد برانگیخته می‌شوند، خستگی باعث می‌شود پس از مدتی این تحریک پذیری اضافی را از دست بدهند. به عنوان مثال، خستگی احتمالاً مهم ترین وسیله ای است که به موجب آن تحریک پذیری بیش از حد مغز در طول یک تشنج صرع در نهایت فروکش می‌کند تا تشنج متوقف شود. بنابراین، ایجاد خستگی یک مکانیسم محافظتی در برابر فعالیت بیش از حد عصبی است. این موضوع در توضیح مدارهای عصبی بازتابنده در فصل ۴۷ بیشتر مورد بحث قرار گرفته است.

The mechanism of fatigue is mainly exhaustion or partial exhaustion of the stores of transmitters in the presynaptic terminals. The excitatory terminals on many neurons can store enough excitatory transmitter to cause only about 10,000 action potentials, and the transmitter can be exhausted in only a few seconds to a few minutes of rapid stimulation. Part of the fatigue process probably results from two other factors as well: (1) progressive inactivation of many of the postsynaptic membrane receptors; and (2) slow development of abnormal concentrations of ions inside the postsynaptic neuronal cell.

مکانیسم خستگی عمدتاً فرسودگی یا فرسودگی جزئی ذخایر فرستنده‌ها در پایانه‌های پیش سیناپسی است. پایانه‌های تحریکی در بسیاری از نورون‌ها می‌توانند فرستنده تحریکی کافی را ذخیره کنند تا تنها حدود ۱۰۰۰۰ پتانسیل عمل ایجاد کند، و فرستنده می‌تواند تنها در چند ثانیه تا چند دقیقه تحریک سریع خسته شود. بخشی از فرآیند خستگی احتمالاً از دو عامل دیگر نیز ناشی می‌شود: (۱) غیرفعال شدن پیشرونده بسیاری از گیرنده‌های غشای پس سیناپسی. و (۲) توسعه آهسته غلظت‌های غیر طبیعی یون‌ها در داخل سلول عصبی پس سیناپسی.

Effect of Acidosis or Alkalosis on Synaptic Transmission. Most neurons are highly responsive to changes in pH of the surrounding interstitial fluids. Normally, alkalosis greatly increases neuronal excitability. For example, a rise in arterial blood pH from the 7.4 norm to 7.8 to 8.0 often causes cerebral epileptic seizures because of increased excitability of some or all of the cerebral neurons. In a person who is predisposed to epileptic seizures, even a short period of hyperventilation, which blows off carbon dioxide and elevates the pH, may precipitate an epileptic attack.

اثر اسیدوز یا آلکالوز بر انتقال سیناپسی. اکثر نورون‌ها به تغییرات pH مایعات بینابینی اطراف بسیار پاسخ می‌دهند. به طور معمول آلکالوز تحریک پذیری نورون‌ها را تا حد زیادی افزایش می‌دهد. به عنوان مثال، افزایش pH خون شریانی از ۷.۴ نرمال به ۷.۸ تا ۸.۰ اغلب به دلیل افزایش تحریک پذیری برخی یا همه نورون‌های مغزی باعث تشنج‌های صرع مغزی می‌شود. در فردی که مستعد حملات صرع است، حتی یک دوره کوتاه تهویه هوا، که دی اکسید کربن را از بین می‌برد و pH را افزایش می‌دهد، ممکن است حمله صرع را تسریع کند.

Conversely, acidosis greatly depresses neuronal activity; a fall in pH from 7.4 to below 7.0 usually causes a comatose state. For example, in very severe diabetic or uremic acidosis, coma almost always develops.

برعکس، اسیدوز فعالیت نورون‌ها را به شدت کاهش می‌دهد. کاهش pH از ۷.۴ به زیر ۷.۰ معمولاً باعث حالت کما می‌شود. به عنوان مثال، در اسیدوز دیابتی یا اورمیک بسیار شدید، کما تقریباً همیشه ایجاد می‌شود.

Effect of Hypoxia on Synaptic Transmission. Neuronal excitability is also highly dependent on an adequate sup- ply of oxygen. Cessation of oxygen for only a few seconds can cause complete in excitability of some neurons. This effect is observed when the brain’s blood flow is temporarily interrupted because within 3 to 7 seconds, the per- son becomes unconscious.

اثر هیپوکسی بر انتقال سیناپسی. تحریک پذیری عصبی نیز به شدت به تامین کافی اکسیژن وابسته است. قطع اکسیژن تنها برای چند ثانیه می‌تواند باعث تحریک پذیری کامل برخی از نورون‌ها شود. این اثر زمانی مشاهده می‌شود که جریان خون مغز به طور موقت قطع شود زیرا در عرض ۳ تا ۷ ثانیه، فرد بیهوش می‌شود.

Effect of Drugs on Synaptic Transmission. Many drugs are known to increase the excitability of neurons, and others are known to decrease excitability. For example, caffeine, theophylline, and theobromine, which are found in coffee, tea, and cocoa, respectively, all increase neuronal excitability, presumably by reducing the threshold for excitation of neurons.

تأثیر داروها بر انتقال سیناپسی. بسیاری از داروها برای افزایش تحریک پذیری نورون‌ها و برخی دیگر برای کاهش تحریک پذیری شناخته شده اند. برای مثال، کافئین، تئوفیلین و تئوبرومین که به ترتیب در قهوه، چای و کاکائو یافت می‌شوند، همگی تحریک‌پذیری نورون‌ها را افزایش می‌دهند، احتمالاً با کاهش آستانه تحریک نورون‌ها.

Strychnine is one of the best known of all agents that increase excitability of neurons. However, it does not do this by reducing the threshold for excitation of the neurons; instead, it inhibits the action of some normally inhibitory transmitter substances, especially the inhibitory effect of glycine in the spinal cord. Therefore, the effects of the excitatory transmitters become overwhelming, and the neurons become so excited that they go into rap- idly repetitive discharge, resulting in severe tonic muscle spasms.

استریکنین یکی از شناخته شده ترین عواملی است که باعث افزایش تحریک پذیری نورون‌ها می‌شود. با این حال، این کار را با کاهش آستانه تحریک نورون‌ها انجام نمی‌دهد. در عوض، از عملکرد برخی از مواد فرستنده معمولاً بازدارنده، به ویژه اثر مهاری گلیسین در نخاع، جلوگیری می‌کند. بنابراین، اثرات فرستنده‌های تحریکی بسیار زیاد می‌شود و نورون‌ها چنان برانگیخته می‌شوند که به سرعت تخلیه می‌شوند و در نتیجه دچار اسپاسم شدید عضلانی می‌شوند.

Most anesthetics increase the neuronal membrane threshold for excitation and thereby decrease synaptic transmission at many points in the nervous system. Because many of the anesthetics are especially lipid- soluble, some of them might change the physical characteristics of the neuronal membranes, making them less responsive to excitatory agents.

اکثر داروهای بیهوشی آستانه غشای عصبی را برای تحریک افزایش می‌دهند و در نتیجه انتقال سیناپسی را در بسیاری از نقاط سیستم عصبی کاهش می‌دهند. از آنجایی که بسیاری از بیهوش‌کننده‌ها به‌ویژه محلول در چربی هستند، برخی از آنها ممکن است ویژگی‌های فیزیکی غشاهای عصبی را تغییر دهند و باعث شود که آنها کمتر به عوامل تحریک‌کننده پاسخ دهند.

Synaptic Delay. During transmission of a neuronal signal from a presynaptic neuron to a postsynaptic neuron, a certain amount of time is consumed in the process of (1) discharge of the transmitter substance by the presynaptic terminal; (2) diffusion of the transmitter to the postsynaptic neuronal membrane; (3) action of the transmitter on the membrane receptor; (4) action of the receptor to increase the membrane permeability; and (5) inward diffusion of sodium to raise the EPSP to a high enough level to elicit an action potential. The minimal period of time required for all these events to take place, even when large numbers of excitatory synapses are stimulated simultaneously, is about 0.5 millisecond, called the synaptic delay. Neurophysiologists can measure the minimal delay time between an input volley of impulses into a pool of neurons and the consequent output volley. From the measurement of delay time, one can then estimate the number of series neurons in the circuit.

تاخیر سیناپسی در طول انتقال یک سیگنال عصبی از یک نورون پیش سیناپسی به یک نورون پس سیناپسی، مقدار مشخصی از زمان در فرآیند (۱) تخلیه ماده فرستنده توسط پایانه پیش سیناپسی صرف می‌شود. (۲) انتشار فرستنده به غشای عصبی پس سیناپسی. (۳) عمل فرستنده بر روی گیرنده غشایی. (۴) عمل گیرنده برای افزایش نفوذپذیری غشاء. و (۵) انتشار سدیم به داخل برای بالا بردن EPSP به سطح کافی برای ایجاد پتانسیل عمل. حداقل مدت زمان لازم برای انجام همه این رویدادها، حتی زمانی که تعداد زیادی سیناپس تحریکی به طور همزمان تحریک می‌شوند، حدود ۰.۵ میلی ثانیه است که به آن تاخیر سیناپسی می‌گویند. فیزیولوژیست‌های اعصاب می‌توانند حداقل زمان تأخیر بین یک رگبار ورودی از تکانه‌ها به مجموعه‌ای از نورون‌ها و رگبار خروجی متعاقب آن را اندازه‌گیری کنند. از اندازه‌گیری زمان تاخیر، می‌توان تعداد نورون‌های سری را در مدار تخمین زد.

Bibliography

کتابشناسی

Alcamí P, Pereda AE: Beyond plasticity: the dynamic impact of electri- cal synapses on neural circuits. Nat Rev Neurosci 20:253, 2019.

Ben-Ari Y, Gaiarsa JL, Tyzio R, Khazipov R: GABA: a pioneer transmit- ter that excites immature neurons and generates primitive oscilla- tions. Physiol Rev 87:1215, 2007.

Chanaday NL, Kavalali ET: Presynaptic origins of distinct modes of neurotransmitter release. Curr Opin Neurobiol 51:119, 2018.

Chiu CQ, Barberis A, Higley MJ: Preserving the balance: diverse forms of long-term GABAergic synaptic plasticity. Nat Rev Neurosci 20:272, 2019.

Dittman JS, Ryan TA: The control of release probability at nerve termi- nals. Nat Rev Neurosci 20:177, 2019.

Kaczmarek LK, Zhang Y: Kv3 channels: enablers of rapid firing, neurotransmitter release, and neuronal endurance. Physiol Rev 97:1431, 2017.

Kandel ER, Dudai Y, Mayford MR: The molecular and systems biology of memory. Cell 157:163, 2014.

Kavalali ET: The mechanisms and functions of spontaneous neuro- transmitter release. Nat Rev Neurosci 16:5, 2015.

Lorenz-Guertin JM, Jacob TC: GABA type a receptor trafficking and the architecture of synaptic inhibition. Dev Neurobiol 78:238, 2018.

Ludwig M, Apps D, Menzies J, Patel JC, Rice ME: Dendritic release of neurotransmitters. Compr Physiol 7:235, 2016.

Nagy JI, Pereda AE, Rash JE: On the occurrence and enigmatic func- tions of mixed (chemical plus electrical) synapses in the mammalian CNS. Neurosci Lett 695:53, 2019.

Nicoll RA: A brief history of long-term potentiation. Neuron. 93:281, 2017. Nusbaum MP, Blitz DM, Marder E: Functional consequences of neu- ropeptide and small-molecule co-transmission. Nat Rev Neurosci 18:389, 2017.

Roelfsema PR, Holtmaat A: Control of synaptic plasticity in deep corti- cal networks. Nat Rev Neurosci 19:166, 2018.

Sala C, Segal M: Dendritic spines: the locus of structural and func- tional plasticity. Physiol Rev 94:141, 2014.

Tritsch NX, Granger AJ, Sabatini BL: Mechanisms and functions of GABA co-release. Nat Rev Neurosci 17:139, 2016.

Vaaga CE, Borisovska M, Westbrook GL: Dual-transmitter neurons: functional implications of co-release and co-transmission. Curr Opin Neurobiol 2014 Dec;29:25-32. https://doi.org/10.1016/j. conb.2014.04.010.

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---