動作電位白話文篇

Posted By Mr. Thursday 

上次「神經元與動作電位」文章裡面可能專有名詞多了一些,讓各位不是很容易就能吸收,因此我在這邊嚐試著用比較淺顯易懂的比喻方式,解說一下甚麼是動作電位了!

首先我們可以想像我們每個人是一個神經元,我們從別的人身上面讀取訊號,然後也會把自己的訊號傳給別人。我們長長的手臂,就像是神經元的「軸突」一樣,負責把訊號從自己身上傳出去。我們的頭髮有點像是「樹突」,像一根根的樹枝一樣,負責接收別人傳來的訊息。神經元之間聯繫的方式,是軸突搭在另一個神經元的細胞表面,或是搭在樹突上面,就有如我們的手放在別人的頭髮裡面,準備把訊息傳給別人,別人再用頭髮接收訊息。

接下來提到了突觸(synapse)。突觸其實是指軸突和樹突之間接觸的地方,用剛才的比喻來說,就是我們的手臂和其他人頭髮接觸的地方了。軸突和樹突之間,會透過許多比較小的連接點來接觸,我們就稱為突觸,英文叫做synapse。也就是說,我們的手臂,最後會有幾根手指,比喻來說的話,手指上面會長很多一小根一小根的東西,別人的頭髮的上面,也長了很多一根根很小的東西,最後是透過這些一根根小小的東西的接觸,才能傳遞訊號,而這些東西,就是突觸,在軸突(人的手臂)上面和樹突上面(別人的頭髮)都長了很多,有點像是壁虎腳掌上面,長了很多吸管,才有辦法攀牆而行一般。

在了解了軸突樹突、以及突觸之間的關係之後,我們就可以談談動作電位了。前面提到的神經訊號透過軸突傳出去,另外一個神經元從樹突接收訊號,軸突樹突之間有突觸(synapse)在做接觸。然而這些訊號是甚麼東西組成的呢?是像水面的漣漪一樣,有水波傳遞出去,還是像電腦的網路線,用電流的開和關代表0和1?答案是使用電位的改變。甚麼是電位呢?可以想像一下一顆電池,正極到負極有一些電位的差距,因此電線一接通,電流會順著電線,從電位高的地方往電位低的地方流動,形成電流。因此電位就像是地心引力一樣,只不過是作用在電子的引力。此外,因為生物體內的離子(ion),像是鈉離子、鉀離子等等,是帶有電荷的,因此也會受到電位的吸引,往某個方向運動。

神經細胞裡面的電位又是如何形成的呢?我們的身體又沒有接上電池?答案是透過細胞膜內外離子濃度的差別來達成的。之前提過細胞膜是由phospholipid bilayer(雙層磷脂質)所形成的,包括一些離子通道。這些離子通道平常是關著的,因此細胞膜裡面的離子只有一部分可以往細胞膜外跑。因為細胞膜內外的離子濃度平常就不一樣,因此會形成離子梯度,讓一些離子往外跑,當離子跑進跑出的速率平衡的時候,我們赫然發現,細胞膜裡面帶正電荷的離子比較少,帶負電荷的離子比較多,因為這樣子電荷的不同,細胞膜內外,就產生了電位差了!

細胞膜內平常會比細胞膜外有低於70mV的電位差,也就是(-70mV)。這是由於細胞內外鈉離子和鉀離子,依照剛才提到的濃度梯度移動平衡以後,所達到的靜態電位(resting state)。神經細胞平常就維持在這種靜態電位。當另一個細胞的細胞膜上面有電位的改變,該電位的改變會影響到本細胞膜上面的電位。之前又提到細胞膜上面有一些離子通道,平常是關閉著,那麼,甚麼時候會打開呢?這要看是哪一種離子通道了,有些離子通道在電位改變的時候,會打開;有些離子通道在接收到神經傳導物質的時候,才會打開。

在這邊提到一個離子通道:鈉離子通道。鈉離子通道在電位改變的時候,會打開,讓細胞膜外面的鈉離子(Na+)進到細胞膜裡面來,因為鈉離子帶的是正電荷,因此鈉離子通道打開會導致細胞裡面的電位從負轉為正的。別地方傳來的動作電位,讓自己的鈉離子通道打開以後,導致鈉離子流入自己的細胞膜內,讓細胞的電位慢慢變成正的。當細胞膜內的電位超過一個標準值,就會導致大量的鈉離子通道一起打開,讓一堆鈉離子衝進細胞裡面,變成自己產生動作電位了。自己產生的動作電位可以一直傳下去,給下一個神經細胞。

講完動作電位之後可能有兩個問題:(1) 產生動作電位之後,怎樣子回復到靜態電位呢?答案是鉀離子通道打開,讓細胞膜裡面的鉀離子(K+)流到細胞膜外面去,就讓細胞的電位回復到負的電位(-70mV)左右了。(2)那麼這樣子下去,細胞膜裡面的鉀離子不就會用完,然後塞滿一堆鈉離子了嗎?這時候我們就可以提到細胞膜上面有個東西叫做Sodium Pump(鈉離子幫浦),他平常就是不斷的把鉀離子從細胞膜外面抓進來,把細胞膜裡面的鈉離子排出去。

動作電位其實會發生在軸突上面,慢慢的傳到軸突的末端,就如同動作電位從我們的手臂,慢慢地,一次一小塊區域產生動作電位,最後手指尖產生了動作電位。手指尖上面的小管子(突觸,synapse)產生動作電位之後,又會發生另外一個故事。這邊我們要介紹另外一個離子通道:鈣離子通道。鈣離子通道在電位改變後,會打開讓鈣離子(Ca 2+)流入細胞膜裡面,刺激突觸裡面的神經傳導物質釋放出去。就如同手指間的小管子裡面,平常放了一些神經傳導物質,當動作電位傳到那一些小管子的時候,小管子的鈣離子通道打開,讓神經傳導物質釋放出去,釋放出去後會被另一個神經元的頭髮(樹突)上面的小管子(樹突上面的突觸)接收到。主要是一些由神經物質控制的離子通道(之前提到離子通道有電位控制的,也有神經物質控制開關的離子通道)所接收。這些離子通道接收後,一方面會打開離子通道,造成細胞電位改變,進一步變成動作電位,繼續傳給下一個神經元,造成訊息成功的傳遞。

另一方面,神經物質控制的離子通道在接收神經物質以後,可以會引發細胞本身結構的一些改變,像是透過細胞裡面一些特殊的分子或蛋白質,好像郵差一樣,在離子通道接收到神經傳導物質的時候,就會被活化,成為細胞內部傳遞訊息的郵差,我們稱為信使(messenger)。信使們會引起一些生物化學的反應,有的會一路影響到細胞核裡面,造成基因表現的改變。在之前「從DNA到蛋白質」那一篇文章有提到,DNA的表現會影響到細胞裡面有哪些蛋白質可以產生出來,不同的蛋白質,也許會改變細胞本身離子通道的個數,讓細胞更容易或更不容易產生動作電位,是一種改變。另一種改變也許是產生新的突觸(synapse),讓神經元和某個特殊的神經元之間有更多突觸(手指和別人頭髮之間的小管子變多),導致這兩個神經元的訊息傳遞比較穩固。

所以,這就是整個神經元與動作電位的故事了,是神經元之間傳遞訊息的基本原理。有了這一個基本元素,我們就有辦法在分子細胞層去探討更多有關大腦記憶的問題了!

延伸閱讀

神經元與動作電位

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