نورون و پتانسیل عمل: قانون همه یا هیچ
میبینیم نورون چه وقت شلیک میکند، چرا هر شلیک دقیقاً هماندازهٔ شلیک قبلی است و شدت محرک کجای پیام پنهان میشود.
در پایان این درس میتوانید
- پتانسیل استراحت، آستانه و اوج پتانسیل عمل را روی نمودار ولتاژ-زمان بشناسی.
- قانون همه یا هیچ را با یک آزمایش عددی نشان دهی.
- ولتاژ غشا را پس از یک محرک زیرآستانهای حساب کنی.
- سقف بسامد شلیک را از دورهٔ تحریکناپذیری به دست بیاوری.
- توضیح دهی شدت محرک در کدام ویژگی پیام عصبی کدگذاری میشود.
دستت که به بدنهٔ قوری داغ میخورد، پیش از آنکه بفهمی چه شده آن را پس کشیدهای. پیام از انگشت تا نخاع و برگشت، در کسری از ثانیه رفته و آمده است. اما این پیام نه آب است و نه باد؛ یک موج ولتاژ است که روی غشای سلول عصبی راه میرود و شگفتترین ویژگیاش این است که اندازهاش همیشه یکی است.
غشایی که باتری است
نورون در حالت آرام درونش را نسبت به بیرون منفی نگه میدارد؛ حدود ۷۰− میلیولت. این اختلاف رایگان نیست: پمپهای غشایی پیوسته انرژی میسوزانند تا یون سدیم را بیرون و یون پتاسیم را درون بریزند. حاصل کارشان باتری کوچکی است که همیشه شارژ میماند و منتظر مینشیند. به این ولتاژ آمادهباش پتانسیل استراحت میگوییم.
آستانه: خطی که یا رد میشود یا نمیشود
وقتی محرکی به دندریتها میرسد، ولتاژ درون کمی مثبتتر میشود. اگر این افزایش کوچک باشد، غشا مثل فنری که رها شده باشد به ۷۰− برمیگردد و هیچ اتفاقی نمیافتد. اما اگر ولتاژ از حدود ۵۵− بگذرد، کانالهای سدیمیِ دریچهدار یکباره باز میشوند، سیل سدیم به درون میریزد و ولتاژ تا حدود ۴۰+ میلیولت بالا میپرد. این جهش را پتانسیل عمل مینامیم و آن ولتاژ مرزی را آستانه.
نکتهٔ کلیدی همینجاست: محرکی که آستانه را رد کند، همیشه جهشی کامل و هماندازه میسازد و محرکی که رد نکند هیچ نمیسازد. میان این دو، حالت میانهای وجود ندارد. به این ویژگی قانون همه یا هیچ میگویند. محرک دو برابر قویتر، پتانسیل عملِ بلندتر نمیسازد.
پس شدت محرک کجا میرود؟
اگر همهٔ شلیکها هماندازهاند، مغز از کجا میفهمد سوزن ملایم است یا سوزش شدید؟ پاسخ در بسامد است: محرک قویتر شلیکهای پرشمارتری در ثانیه میسازد. شدت در تعداد کدگذاری میشود، نه در ارتفاع.
البته این شمار سقفی دارد. بلافاصله پس از هر شلیک، غشا مدتی هیچ محرکی را نمیپذیرد و سپس مدتی فقط محرکهای قوی را؛ به این فاصله دورهٔ تحریکناپذیری میگوییم. همین دوره است که پیام را یکطرفه نگه میدارد و نمیگذارد موج به عقب برگردد.
یک مثال عددی کاملاً حلشده
نورونی در ۷۰− میلیولت آرام گرفته و آستانهاش ۵۵− میلیولت است.
- فاصله تا آستانه: ۵۵− منهای ۷۰− برابر ۱۵ میلیولت.
- محرکی به شدت ۱۰ میلیولت میرسد: ولتاژ به ۶۰− میرسد که هنوز زیر آستانه است، پس شلیکی رخ نمیدهد و ولتاژ به آرامی به ۷۰− برمیگردد.
- محرکی به شدت ۲۰ میلیولت میرسد: ولتاژ به ۵۰− میرسد، از آستانه رد میشود و اوج پتانسیل ۴۰+ میلیولت ثبت میشود.
- محرک را به ۱۰۰ میلیولت ببر: اوج همچنان ۴۰+ میماند و فقط شمار شلیکها بالا میرود.
- اگر دورهٔ تحریکناپذیری ۳ میلیثانیه باشد، بیشترین بسامد ممکن برابر ۱۰۰۰ تقسیم بر ۳ یعنی حدود ۳۳۳ شلیک در ثانیه است.
غلاف میلین مانند روکش سیم عمل میکند و موج را از گرهای به گرهٔ بعد میپراند. همین پرش سرعت پیام را چند ده برابر میکند و آسیبش بیماریهای عصبی جدی میسازد.
کاربرد در دنیای واقعی
داروی بیحسی دندانپزشکی کانالهای سدیمی را میبندد؛ آستانه عملاً دستنیافتنی میشود و پیام درد اصلاً راه نمیافتد. ضربانساز قلبی وارونهٔ همین کار را میکند و با محرک بالاتر از آستانه، شلیک منظم میسازد. حتی صفحهٔ لمسی گوشی هم پیامش را به همین زبان به انگشت تو میرساند.
رابطههای کلیدی
مأموریت شبیهسازی
به نورون محرک بده و روی نمودار ولتاژ-زمان ببین کِی شلیک میکند و کِی نه.
- شدت محرک را روی ۴۰ میلیولت، آستانه را روی ۵۵− میلیولت و نرخ تحریک را روی ۱۰ بار بر ثانیه بگذار و خروجی بسامد شلیک را بخوان.
- شدت محرک را به ۱۰ میلیولت کم کن و ببین ولتاژ فقط تا ۶۰− بالا میرود و شلیکی رخ نمیدهد.
- شدت محرک را تا ۱۰۰ میلیولت بالا ببر و بررسی کن که اوج پتانسیل هنوز همان ۴۰+ میلیولت است.
- نرخ تحریک را از ۱۰ به ۴۰ بار بر ثانیه ببر و ببین ارتفاع شلیکها ثابت میماند ولی شمارشان چهار برابر میشود.
- شدت محرک را روی ۱۴ میلیولت و نرخ تحریک را روی ۶۰ بگذار؛ ببین بسامد شلیک از نرخ تحریک کمتر میماند، چون تحریکناپذیری سقف میگذارد.
آزمون این درس
۵ پرسش چهارگزینهای. پس از ثبت، پاسخ درست و توضیح هر پرسش را میبینید. میتوانید هر چند بار که خواستید تلاش کنید؛ بهترین نمره در کارنامه ثبت میشود.