ساختار دستگاه عصبی، سیناپس و گیرنده‌های حسی

سیستم عصبی برای انتقال پیام‌های خود بین سلول‌های عصبی از دو نوع ساختار متمایز استفاده می‌کند که به سیناپس‌های الکتریکی و شیمیایی معروف هستند. درک تفاوت‌های این دو ساختار برای شناخت عملکرد هماهنگ مغز و نخاع بسیار حیاتی است.

در سیناپس‌های الکتریکی، انتقال پیام عصبی از طریق اتصالات شکافی (gap junctions) صورت می‌گیرد. این اتصالات در واقع کانال‌های پروتئینی هستند که سیتوپلاسم دو سلول مجاور را به طور مستقیم به یکدیگر متصل می‌کنند. به دلیل وجود این مسیر مستقیم، جریان الکتریکی ناشی از حرکت یون‌ها می‌تواند بدون هیچ مانعی از یک سلول به سلول دیگر منتقل شود. همین ارتباط مستقیم فیزیکی سبب می‌شود که سرعت انتقال پیام عصبی در سیناپس‌های الکتریکی بسیار سریع باشد. در مقابل، سرعت انتقال پیام عصبی در سیناپس‌های شیمیایی نسبت به سیناپس‌های الکتریکی آهسته‌تر است. در سیناپس‌های شیمیایی، پیام الکتریکی باید ابتدا به یک پیام شیمیایی (آزادسازی نوروترانسمیتر) تبدیل شده، از فضای سیناپسی عبور کند و مجدداً در سلول پس‌سیناپسی پیام الکتریکی ایجاد کند که این فرآیند موجب تاخیر سیناپسی می‌شود.

تفاوت مهم دیگر در جهت هدایت پیام عصبی است. برخلاف سیناپس‌های شیمیایی که در آن‌ها هدایت پیام همواره یک‌طرفه است (یعنی پیام فقط از پایانه پیش‌سیناپسی به گیرنده‌های پس‌سیناپسی منتقل می‌شود)، در سیناپس‌های الکتریکی هدایت پیام به صورت دو‌طرفه انجام می‌شود. از آنجا که کانال‌های اتصالات شکافی به سادگی به یون‌ها اجازه عبور در هر دو جهت را می‌دهند، تحریک هر کدام از سلول‌ها می‌تواند منجر به تحریک سلول دیگر شود. این ویژگی دوطرفه بودن در هماهنگ‌سازی هم‌زمان گروه‌های بزرگ نورونی نقش کلیدی دارد.

در سیستم عصبی، انتخاب بین سیناپس الکتریکی و شیمیایی بستگی به نیاز فیزیولوژیک آن بخش دارد. جاهایی که نیاز به پاسخ‌های فوق‌العاده سریع و هماهنگ هم‌زمان داریم (مانند برخی مسیرهای رفلکسی یا هماهنگ‌سازی انقباضات قلبی)، سیناپس‌های الکتریکی به دلیل نداشتن تاخیر سیناپسی و انتقال مستقیم جریان یون‌ها از طریق اتصالات شکافی برتری دارند. اما در مواردی که انعطاف‌پذیری، مهار یا تقویت پیام اهمیت دارد، سیناپس‌های شیمیایی با وجود سرعت آهسته‌تر و هدایت یک‌طرفه، ترجیح داده می‌شوند.

هنگامی که یک پتانسیل عمل در طول آکسون منتشر شده و به پایانه پیش‌سیناپسی می‌رسد، سیگنال الکتریکی باید به یک سیگنال شیمیایی تبدیل شود تا بتواند از فضای سیناپسی عبور کند. این تبدیل با دپلاریزه شدن غشای پایانه پیش‌سیناپسی آغاز می‌شود. دپلاریزاسیون غشا در این ناحیه باعث فعال شدن و باز شدن کانال‌های کلسیمی دریچه‌دار وابسته به ولتاژ می‌شود. غلظت کلسیم در خارج سلول بسیار بیشتر از داخل است، بنابراین یون‌های کلسیم به سرعت وارد پایانه می‌شوند. ورود یون‌های کلسیم به درون پایانه محرک اصلی برای فرآیند آزادسازی است. رهایش میانجی عصبی از پایانه پیش‌سیناپسی به فضای سیناپسی از طریق فرآیند اگزوسیتوز انجام می‌شود. این فرآیند فعال بوده و با مصرف انرژی همراه است که در آن وزیکول‌های حاوی ناقل عصبی به غشای پیش‌سیناپسی متصل شده و محتویات خود را تخلیه می‌کنند.

نقش کلیدی یون کلسیم در این فرآیند به حدی است که مسدود کردن کانال‌های کلسیمی دریچه‌دار وابسته به ولتاژ در پایانه پیش‌سیناپسی، ورود کلسیم را متوقف کرده و در نتیجه رهایش میانجی عصبی و انتقال سیناپسی را به طور کامل متوقف می‌سازد. پس از عبور پیام عصبی از سیناپس و ایجاد تغییر در پتانسیل غشای پس‌سیناپسی، سلول گیرنده باید تصمیم بگیرد که آیا پتانسیل عمل جدیدی را شلیک کند یا خیر. پتانسیل عمل جدید با باز شدن ناگهانی کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ آغاز می‌شود. محل اصلی تصمیم‌گیری و شروع این پتانسیل عمل، تپه‌ی آکسونی است که در ابتدای آکسون قرار دارد. برخلاف تصور رایج، تراکم کانال‌های سدیمی وابسته به ولتاژ در جسم سلولی نورون بسیار کمتر از تپه‌ی آکسونی است. تراکم فوق‌العاده بالای این کانال‌ها در تپه‌ی آکسونی، آستانه تحریک این ناحیه را به شدت پایین آورده و آن را به فعال‌ترین بخش نورون برای تولید پتانسیل عمل تبدیل می‌کند.

در واقع، کانال‌های کلسیمی پیش‌سیناپسی به عنوان حسگرهای ولتاژ عمل می‌کنند که تغییر پتانسیل غشا را به پاسخ ترشحی تبدیل می‌کنند. بدون ورود کلسیم، حتی اگر پایانه به شدت دپلاریزه شود، اگزوسیتوزی رخ نخواهد داد. به طور مشابه، تپه‌ی آکسونی به عنوان مرکز ادغام اطلاعات نورون عمل می‌کند؛ تمام پتانسیل‌های پس‌سیناپسی تحریکی و مهارکننده که از دندریت‌ها و جسم سلولی عبور می‌کنند، در تپه‌ی آکسونی جمع‌آوری می‌شوند. از آنجا که تراکم کانال‌های سدیمی در این نقطه بسیار بالاست، اگر مجموع پتانسیل‌ها به آستانه تحریک برسد، پتانسیل عمل از همین نقطه آغاز شده و در طول آکسون منتشر می‌شود.

پس از اتصال ناقل عصبی تحریکی به گیرنده‌های غشای پس‌سیناپسی، کانال‌های یونی خاصی باز می‌شوند که به یون‌های سدیم اجازه ورود می‌دهند. سازوکار یونی ایجاد پتانسیل پس‌سیناپسی تحریکی (EPSP) بر اساس ورود سریع یون‌های سدیم به درون نورون است. ورود این بارهای مثبت الکتریکی باعث می‌شود که پتانسیل منفی استراحت غشا کاهش یافته و به سمت مقادیر مثبت‌تر حرکت کند؛ به عنوان مثال پتانسیل غشا ممکن است از مقدار منفی ۶۵ میلی‌ولت به حدود منفی ۴۵ میلی‌ولت برسد که این حالت دپلاریزاسیون نام دارد.

یکی از ویژگی‌های مهم EPSP این است که بر اساس قانون همه یا هیچ عمل نمی‌کند. این پتانسیل موضعی با انتشار در طول غشای دندریت‌ها و جسم سلولی به تدریج ضعیف و تضعیف می‌شود. با این حال، EPSPها دارای قابلیت جمع‌پذیری (Summation) زمانی و مکانی هستند. این بدان معناست که اگر چند پیام تحریکی به طور هم‌زمان یا پی‌درپی به نورون برسند، اثرات دپلاریزاسیون آن‌ها با یکدیگر جمع شده و پتانسیل غشا را در تپه‌ی آکسونی به آستانه شلیک پتانسیل عمل می‌رساند.

تحریک‌پذیری نورون‌ها و توانایی آن‌ها در انتقال پیام به شدت تحت تاثیر تعادل اسید و باز بدن قرار دارد. برای مثال، آلکالوز با افزایش تحریک‌پذیری نورون‌ها، انتقال سیناپسی را در سیستم عصبی مرکزی به شدت افزایش می‌دهد. این افزایش تحریک‌پذیری می‌تواند چنان شدید باشد که منجر به بروز تشنج در فرد شود. در نقطه مقابل، اسیدوز با کاهش تحریک‌پذیری نورونی و مهار فعالیت مغزی همراه است و می‌تواند فرد را به وضعیت کما بفرستد. از سوی دیگر، داروهای بی‌هوش‌کننده نیز با افزایش آستانه‌ی تحریک غشای نورونی عمل می‌کنند. با بالا رفتن این آستانه، نورون‌ها برای تحریک شدن نیاز به دپلاریزاسیون بسیار قوی‌تری دارند، در نتیجه انتقال سیناپسی کاهش یافته و حالت بی‌هوشی ایجاد می‌شود.

بنابراین، تعادل الکترولیتی و pH مایع مغزی-نخاعی برای حفظ کارکرد طبیعی نورون‌ها ضروری است. هرگونه انحراف از مقادیر فیزیولوژیک استاندارد می‌تواند منجر به اختلالات شدید مغزی شود. شناخت رابطه بین پتانسیل‌های موضعی مانند EPSP و عوامل محیطی همچون داروهای بی‌هوشی و وضعیت اسید-باز به پزشکان کمک می‌کند تا اختلالات سیستم عصبی را بهتر مدیریت کنند.

نورون‌ها برای برقراری ارتباط شیمیایی از دو خانواده بزرگ پیام‌رسان استفاده می‌کنند: ناقلین عصبی کوچک‌مولکول و نوروپپتیدها. این دو گروه تفاوت‌های بنیادی در زمینه بیوسنتز، مکانیسم بازیافت و عملکرد فیزیولوژیک دارند. ناقلین کوچک‌مولکول گروهی از پیام‌رسان‌های سریع‌الاثر هستند که سنتز نهایی آن‌ها در سیتوزول پایانه‌ی پیش‌سیناپسی رخ می‌دهد. وزیکول‌های حاوی این مواد پس از ترشح، مجدداً بازیابی شده و ناقلین آزاد شده نیز از طریق فرآیندهای بازجذب فعال، که معمولاً به صورت هم‌انتقالی با یون سدیم صورت می‌گیرد، به پایانه بازگردانده می‌شوند. این ویژگی به پایانه اجازه می‌دهد تا به طور مکرر ناقلین کوچک‌مولکول را بازچرخش کرده و استفاده مجدد کند. استیل کولین (کلاس یک) و آمین‌های فعال زیستی شامل اپی‌نفرین، نوراپی‌نفرین، دوپامین، سروتونین و هیستامین (کلاس دو) همگی در این دسته قرار دارند و پاسخ‌های سریع و کوتاه‌مدتی را در سلول‌های هدف ایجاد می‌کنند.

در مقابل، نوروپپتیدها مولکول‌های بزرگ‌تری هستند که در ریبوزوم‌های جسم سلولی (سوماتای) نورون ساخته می‌شوند. این مواد پس از انتقال آکسونی طولانی به پایانه می‌رسند. سرعت اثر نوروپپتیدها بسیار آهسته‌تر و مدت اثر آن‌ها طولانی‌مدت‌تر است، اما قدرت عمل آن‌ها فوق‌العاده بالا بوده و حدود هزاران بار قوی‌تر از ناقلین کوچک‌مولکول عمل می‌کنند. تفاوت بسیار مهم دیگر این است که نوروپپتیدها پس از رهایش و اثرگذاری، توسط آنزیم‌ها اتولیز شده و نابود می‌شوند و برخلاف ناقلین کوچک‌مولکول، وزیکول‌ها و خود پپتیدها هرگز بازچرخش و استفاده مجدد نمی‌شوند. به عنوان مثال، انکفالین‌ها و ماده P نمونه‌هایی از نوروپپتیدها هستند که در کنترل و انتقال پیام‌های درد در سیستم عصبی نقش ایفا می‌کنند.

آگاهی از این تفاوت‌ها مشخص می‌کند که چرا اثرات نوروپپتیدها, مانند تغییر در تعداد گیرنده‌ها یا تغییرات ساختاری در سیناپس، می‌تواند روزها، ماه‌ها یا حتی سال‌ها طول بکشد؛ در حالی که اثرات ناقلین کوچک‌مولکول مانند استیل کولین در عرض چند میلی‌ثانیه آغاز شده و سریعاً خاتمه می‌یابد. این سیستم دوگانه به مغز اجازه می‌دهد تا هم پاسخ‌های فوری و هم تغییرات بلندمدت رفتاری و یادگیری را مدیریت کند.

انتقال اطلاعات در سیناپس‌های شیمیایی همواره تحت کنترل دقیق قرار دارد تا از انتقال بیش از حد یا سرکوب ناگهانی سیگنال‌ها جلوگیری شود. تنظیم پیش‌سیناپسی یکی از این سازوکارهای ظریف است که عمدتاً در ارتباطات آکسون به آکسون (آکسوآکسونیک) اتفاق می‌افتد و می‌تواند پیام عبوری را مهار یا تسهیل کند. در پدیده مهار پیش‌سیناپسی، نورون واسط با ترشح گابا (GABA) بر پایانه نورون اصلی اثر می‌گذارد. اتصال گابا به گیرنده‌های خود باعث باز شدن کانال‌های کلری و ورود یون‌های منفی کلر به درون پایانه می‌شود. این ورود بار منفی، پتانسیل پایانه را تغییر داده و با خنثی کردن یون‌های مثبت ورودی، اثر پتانسیل عمل رسیده را خنثی کرده و مانع باز شدن کانال‌های کلسیمی می‌شود؛ در نتیجه، انتقال سیناپسی مهار می‌گردد. اشتباه شایع این است که مهار پیش‌سیناپسی را ناشی از باز شدن کانال‌های سدیمی و دپلاریزاسیون بدانیم، در حالی که این پدیده دقیقاً برعکس آن است.

در مقابل، تسهیل پیش‌سیناپسی در آکسون‌های آکسوآکسونیک باعث تقویت پیام می‌شود. در این پدیده، آزاد شدن سروتونین منجر به فعال شدن آنزیم آدنیلیل سیکلاز و به دنبال آن افزایش پیام‌رسان ثانویه cAMP در پایانه می‌شود. این فرآیند باعث مهار کانال‌های پتاسیمی و جلوگیری از خروج یون‌های پتاسیم می‌شود. مهار خروج پتاسیم سبب طولانی شدن مدت دپلاریزاسیون پایانه پیش‌سیناپسی می‌گردد که این خود کانال‌های کلسیمی وابسته به ولتاژ را برای مدت طولانی‌تری باز نگه داشته و ترشح میانجی عصبی را به شدت افزایش می‌دهد.

شناخت این سازوکارها در سم‌شناسی نیز بسیار حیاتی است. به عنوان مثال، گازهای شیمیایی جنگی (مانند گازهای اعصاب) با مهار آنزیم استیل کولین استراز در محل سیناپس عصب - عضله عمل می‌کنند. این گازها با غیرفعال کردن این آنزیم مانع از تجزیه استیل کولین شده و منجر به انباشت این ناقل در فضای سیناپسی و تحریک دائم و فلج‌کننده عضلات می‌شوند؛ لذا کارکرد آن‌ها از طریق مهار آنزیم است، نه مسدود کردن مستقیم گیرنده‌های استیل کولین. این مکانیسم‌های تنظیمی و تداخل‌های شیمیایی نشان می‌دهند که چگونه تغییرات جزئی در فعالیت کانال‌های یونی یا آنزیم‌های تجزیه‌کننده می‌توانند تعادل انتقال سیناپسی را در کل سیستم عصبی و عضلانی به شدت دگرگون سازند.

گیرنده‌های حسی به عنوان دروازه‌های ورود اطلاعات به سیستم عصبی عمل می‌کنند. این گیرنده‌ها ویژگی‌های تطابقی متفاوتی دارند که به آن‌ها اجازه می‌دهد جنبه‌های مختلف محرک‌ها را کدگذاری کنند. بر اساس سرعت و نحوه تطبیق غشا با محرک پایدار، گیرنده‌ها را به دو گروه کندسازش (تونیک) و تندسازش (فازیک) تقسیم می‌کنند. گیرنده‌های کندسازش یا تونیک به کندی با محرک سازگار می‌شوند. این ویژگی آن‌ها را برای ارسال مداوم سیگنال به سیستم عصبی مرکزی و تشخیص مدت زمان تحریک مناسب می‌سازد. برای مثال، گیرنده‌های درد و گیرنده‌های شیمیایی موجود در اجسام کاروتید و آئورتی از نوع گیرنده‌های کندسازش هستند. بدن برای بقا نیاز دارد که حس درد را تا زمانی که عامل آسیب‌رسان وجود دارد دریافت کند، به همین دلیل گیرنده‌های درد تطبیق بسیار کمی دارند. جالب است بدانید که در میان تمام گیرنده‌های مکانیکی بدن، بارورسپتورهای کاروتید و آئورتی (که فشار خون را پایش می‌کنند) کمترین میزان تطابق را نشان می‌دهند و طولانی‌ترین زمان تطابق ثبت شده را دارند.

در مقابل، گیرنده‌های تندسازش یا فازیک به سرعت تطابق می‌یابند. این گیرنده‌ها تنها زمانی که شدت محرک تغییر می‌کند (مانند لحظه شروع یا پایان تحریک و حرکات سریع) پیام صادر می‌کنند و برای ارسال مداوم سیگنال و تشخیص مدت زمان تحریک مناسب نیستند. جسم پاچینی که گیرنده حس ارتعاش و فشار سریع است، نمونه کلاسیک گیرنده‌های فازیک می‌باشد. بررسی ساختار جسم پاچینی جزئیات عملکردی مهمی را نشان می‌دهد. برخلاف تصور اشتباه که کل فیبر آکسون داخل کپسول را میلین‌دار می‌داند، تنها قسمت انتهایی داخل کپسولی جسم پاچینی بدون غلاف میلین است. فیبر عصبی درست قبل از خارج شدن از کپسول پوشش میلینی خود را مجدداً به دست می‌آورد. این پایانه بدون میلین نقش اساسی در ایجاد پتانسیل مولد یا ژنراتوری ایفا می‌کند، در حالی که لایه‌های پیازی‌شکل کپسول به سازش سریع گیرنده به نیروهای مکانیکی پایدار کمک می‌کنند.

بنابراین، تلفیق ویژگی‌های بیوفیزیکی غشا و ساختارهای کمکی اطراف گیرنده (مانند کپسول‌ها) تعیین‌کننده فازیک یا تونیک بودن آن است. این تنوع عملکردی به مغز این امکان را می‌دهد که تصویری جامع از تغییرات پویا و هم‌چنین وضعیت پایدار محیط اطراف به دست آورد.

سیستم عصبی انسان دارای ساختارهای هدایتی و الگوهای ارتباطی بسیار متنوعی است که برای انتقال کارآمد و ایمن پیام‌های عصبی طراحی شده‌اند. فیبرهای عصبی بر اساس ویژگی‌های ساختاری نظیر قطر و وجود یا عدم وجود غلاف میلین طبقه‌بندی می‌شوند. رشته‌های عصبی نوع A فیبرهای بزرگ و میلین‌داری هستند که هدایت پیام‌ها را با سرعت بالا انجام می‌دهند. در مقابل، رشته‌های عصبی نوع C برخلاف رشته‌های نوع A، فاقد غلاف میلین بوده، قطر کوچکی داشته و سرعت انتقال پایینی دارند. این فیبرها در اعصاب محیطی و به ویژه در رشته‌های پس‌عقده‌ای خودکار به وفور یافت می‌شوند. انتقال اطلاعات مربوط به حس‌های خارش، قلقلک و درد مزمن توسط همین رشته‌های عصبی بدون میلین و کوچک نوع C صورت می‌گیرد، در حالی که حس‌های مکانیکی اختصاصی از فیبرهای بزرگ و سریع نوع A استفاده می‌کنند.

پیام‌های عصبی رسیده از این فیبرها در شبکه مدارهای مغزی با یکدیگر ادغام می‌شوند. یکی از سازوکارهای اصلی ادغام، همگرایی (convergence) سیگنال‌ها از منابع متعدد به یک نورون واحد است. بر خلاف برخی تصورات نادرست، همگرایی سیگنال‌ها همواره منجر به مهار عملکرد نورون پس‌سیناپسی نمی‌شود، بلکه بسته به نوع ناقلین آزاد شده، می‌تواند منجر به تحریک یا مهار نورون پس‌سیناپسی شود و با تجمیع اثرات، به تقویت پیام یا فیلتر کردن اطلاعات کمک کند.

به دلیل وجود میلیاردها اتصال در مغز، کنترل تحریک‌پذیری برای جلوگیری از فعالیت‌های بی‌رویه و ناهماهنگ ضروری است. در واقع، وجود مدارهای مهاری و پدیده خستگی سیناپسی دو مکانیسم اصلی برای حفظ پایداری مدارهای نورونی و جلوگیری از تشنج و اشباع اطلاعات در مغز به شمار می‌روند. از طرف دیگر، عواملی مانند کاهش آستانه‌ی تحریک نورون‌های پس‌سیناپسی و افزایش فعالیت گیرنده‌های تحریکی نظیر گلوتامات، با تسهیل بیش از حد انتقال پیام، به ناپایداری مدار نورونی کمک کرده و می‌توانند تحریک‌پذیری کل شبکه را تا مرز ایجاد تشنج افزایش دهند. بنابراین، تعادل ظریف بین نیروهای تحریکی و مهاری در ساختارهای مداری، به همراه ویژگی‌های هدایتی فیبرهای عصبی، اساس عملکرد پایدار و بدون نقص سیستم عصبی مرکزی را پی‌ریزی می‌کند. خستگی سیناپسی با کاهش موقت آزادسازی فرستنده‌ها در طول تحریک مکرر، مانند یک فیوز ایمنی طبیعی عمل کرده و مانع از آسیب به سلول‌های عصبی می‌شود.