Nervové buňky

Jak známo, centrální nervová soustava řídí chování celého živočicha. Sestává z obvykle velkého množství více či méně uspořádaných nervových buněk. Tyto buňky reagují na okolí docela chaoticky, některé po příjmu signálů výdej svých signálů zrychlí, některé zpomalí. Pro použití k vyšší nervové činnosti, tj. vnímání zrakem, myšlení, paměť apod. jich musí být množství, které statisticky "vyhladí" všechny chaotické vlivy. Je tedy třeba obrovského počtu nervových buněk, což ale na druhou stranu umožňuje zpracování mnoha procesů najednou.

Stavba neuronu

Od ostatních buněk těla se neurony na první pohled liší v několika ohledech, protože jsou velice specializované. Jako většina ostatních buněk mají buněčné tělo (soma), které má většinou kulatý tvar, ze kterého vychází mnoho ostrých výčnělků. V těle jsou všechny buněčné organely, pod mikroskopem je dobře viditelné jádro. Z "ostnů" vycházejí bohatě rozvětvená tenká vlákna, zvaná dendrity. Slouží k příjmu informací z ostatních neuronů.

Z nervové buňky vychází i tzv. axon, též zvaný neurit, nejtlustší a nejdelší vlákno, které vede buňkou zpracovaný signál do dalších buněk. Oproti zbytku buňky je velice dlouhý: Protože je z mozku do zbytku těla informace vedena obvykle jen přes jeden neuron, může mít axon délku přes 1,5 metru. Na konci axonu se musí přenesená informace nějak zprostředkovat mnoha ostatním buňkám. Proto je konec axonu opět silně rozvětvený. Na konci jsou tzv. synapse. Daly by se popsat jako drobné "boule", slouží k přenosu signálu mezi buňkami, obvykle přeměně přijatého elektrochemického impulzu na informaci ve formě k tomu určených chemických látek. Neuron je obvykle spojen s několika jinými, může se jich dotýkat po celém jejich povrchu (tedy nejen na konci dendritů).

Přenos informace

Vedení signálu axonem

Klidový membránový potenciál a jeho původ

K pochopení toho, jak je veden signál po většině délky nervové buňky, je potřeba se seznámit s existencí membránového potenciálu. Jeho základní příčinou je různý poměr aniontů a kationtů uvnitř a vně buňky.

Kationty draslíku jsou jako atomy malé, a proto procházet membránou můžou, zatímco pro anionty (fosforečnany, bílkoviny) je zcela neprostupná. V malé míře můžou prostupovat chlór a sodík. Nerovnováha aniontů a kationtů vzniká díky rozdílné koncentraci solí v buňce a vně buňky – zatímco vně je 5,5 mmolu/l K+, uvnitř buňky je 155 mmolu/l K+. Kationty draslíku se můžou mísit a "snaží" se unikat ven a tím vyrovnat koncentraci. Pokud jich unikne dost, celý proces se zastaví, protože zbylé kationty budou uvnitř drženy přitažlivými silami, vzniklými záporným napětím. Takto fungující membrána se též nazývá iontová pumpa. Rovnice pro výpočet jejího napětí sestavil v 19. stol. W. Nernst, proto se nazývá Nernstův potenciál nebo klidový membránový potenciál (dále KMP, anglicky "resting potential"). V nervových buňkách je –60 až –75 mV. V závislosti na druhu buňky se v celém těle pohybuje od –40 do –90 mV. Nervové, svalové a smyslové buňky mají zvláštní vlastnost rychle měnit svůj MP na základě vnějších podnětů.

Akční potenciál

Na napětí v nervové buňce působí různé vnější i vnitřní vlivy. Napětí na membráně tedy rychle kolísá v rozpětí několika mV. Pokud napětí na membráně stoupne (díky několika impulzům najednou) nad určitou hodnotu, otevřou se tzv. sodíkové kanály – "tunely" v cytoplazmatické membráně, které umožní snadný přesun sodíkových kationtů skrz membránu. Jsou tvořeny několika molekulami k tomu specializovaných bílkovin, které procházejí po délce skrz buněčnou membránu (složenou z pouhých dvou vrstev tukových molekul). Právě molekulární povaha celého přesunu iontů umožňuje jejich rozdělení na propustné a nepropustné.

Sodíku je (na rozdíl od draslíku) větší koncentrace vně buňky a proto se kationty Na+ začnou rychle přesouvat dovnitř. Napětí v buňce stoupne až na +30 mV. Protože se napětí převrátí, nazývá se tento proces depolarizace. Zmíněnému napětí, při kterém se umožní přesun sodíku, říkáme akční potenciál, zkráceně AP. Pro šíření signálu v axonu má zásadní význam.

Po dosažení kladného napětí okolo 30 mV se sodíkové kanály zase uzavřou a membránový potenciál se rychle vrátí na hodnotu KMP. Aby se okamžitě nevytvořil další akční potenciál a celý proces nenastal znovu, je tvorba AP po určitou dobu zcela blokována ("absolute refractory period"), o něco později je k jeho vytvoření ještě potřeba depolarizace silnější.

Z tohoto je vidět, že signál v neuronu je povahy "všechno nebo nic". Pokud původní depolarizace dosáhne určité hodnoty, vytvoří se signál, který se sám sebe zesiluje a šíří se po délce neuronu, pokud napětí nestačí, nezesílí se žádný signál.

Přesun informace po délce axonu

Pro funkci nervové buňky nestačí jen vyvolat AP, ale je potřeba jej po ní co nejrychleji rozšířit. Pokud by axon sestával pouze z membrány, setkali bychom se s několika značnými nevýhodami. Především by se vzniklý AP zpátky ze značné části "vybíjel" skrz membránu, kde již prošel. Toto je možné částečně napravit zvětšením průměru buňky (více zvětšíme plochu průřezu než jeho obvod). Důsledkem tohoto jevu je poměrně malá rychlost šíření AP.

Takový axon mají nervové buňky třeba u hlavonožců. Uvádí se, že běžný průměr jejich axonu je 0,6 mm – je jasné, že při takovémto průměru nervových buněk by savci žít svým "dynamickým" životem zdaleka nemohli.

Proti zmíněnému neblahému jevu obalují axon Schwannovy buňky. Ty jsou svým účelem i vzhledem velmi specializované – mají plochý tvar a jsou zhruba čtyřikrát omotány okolo. Schwannovy buňky obsahují velké množství bílkoviny myelinu, který je, jako ostatní nepolární bílkoviny, pro elektřinu nevodivý. Schwannově buňce se také říká myelinová pochva. Díky tomu mají žížaly axony o tloušťce 90 μm (částečné pokrytí myelinem), žáby 7 μm (studenokrevní) a savci (kočka) pouhých 2,3 μm.

Přesun AP v axonu, obaleném Schwannovými buňkami, je mnohem rychlejší a účinnější než bez nich. V místě, kde je axon izolován Schwannovou buňkou, se signál šíří rychlostí šíření elektrického pole, tedy skoro rychlostí světla. Jediné zpomalení nastává na membráně na Ranvierových zářezech, kde je původní membrána bez myelinu a na ní se obnoví AP. Rychlost šíření signálu je tedy

Uvádí se, že běžná rychlost je zhruba 7 m/s. Závisí na výše uvedených faktorech, průměru vlákna (čím větší, tím vyšší rychlost) a teplotě (se zvýšením teploty rychlost vzrůstá, chladem se dá signál přerušit). Je dobré si uvědomit, že jenom než první signál dorazí z mozku do nohy na brzdovém pedálu, urazí automobil na dálnici třeba 15 metrů.

Předání informace jiným buňkám

Synapse – aktivní přenos

Řekněme, že nervový impuls úspěšně dorazil na konec axonu čili synapsi a je třeba jej předat ostatním buňkám. Nejběžnější je přenos neurotransmitery – speciálními látkami, které ve velmi malém množství vylučuje synapse, aby byly přijaty receptory další buňky. Neurotransmitery jsou obsaženy v tzv. synaptických váčcích v množství pouhých několika tisíc molekul. Synaptických váčků je na povrchu synapse podobný počet.

Pokud na akční potenciál dorazí na synapsi, dojde k otevření jiných kanálů, specializovaných na kationty Ca²⁺. Ty začnou pronikat dovnitř, jako je popsáno výše u sodíku. Z toho vyplývá, že pro přenos signálu je zcela nezbytná přítomnost vápníku v mezibuněčném roztoku, při jeho vyšší koncentraci je i vyšší pravděpodobnost vyloučení neurotransmiteru.

Přesný proces, který probíhá uvnitř synapse po vstupu vápníku, není úplně znám. Pravděpodobně se vápníkové ionty navážou na membrány některých buněčných organel a především způsobí, že synaptické váčky přilnou k buněčné membráně a tím se molekuly neurotransmiterů vyloučí ven z buňky (tento proces se nazývá exocytóza). Obnovují se opačným postupem, kdy se membrána prohne dovnitř, uzavře se a začnou se v ní vytvářet nové neurotransmitery. Celý tento proces je poměrně náhodný – neurotrasmiter se v malé míře vylučuje i bez významnějších podnětů.

Acetylcholin

Do úzkého prostoru se tedy uvolní (z chemického hlediska velmi malé) množství neurotransmiterů. Neurotransmiterem je obvykle acetylcholin. Ty se navážou na receptory na membráně druhé buňky. Některé receptory se potom stanou propustnými pro kationty, některé vyvolají složitější chemické procesy, na kterých se obvykle podílejí tzv. G-proteiny. Obojí vede k tomu, že se změní membránový potenciál, zde označovaný jako postsynaptický potenciál (PSP). Obvykle se v buňce začne hromadit sodík (depolarizace), občas naopak může z buňky unikat ještě víc draslíku (hyperpolarizace). Protože druhá zmíněná změna vzdaluje buňku od napětí, potřebného k vytvoření AP, nazývá se inhibiční postsynaptický potenciál (IPSP). Pokud se za sebou nahromadí velké množství kladných vlivů a málo záporných (IPSP), vyvolá se celý popsaný postup s depolarizací a vznikem AP. Předání signálu z jednoho neuronu na druhý přes synapse trvá od 0,5 do 4 ms.

Neurotransmiterové molekuly se po aktivaci příslušných receptorů z mezibuněčného prostoru odstraní rozkladem, vtažením speciálními molekulami zpět do buňky nebo jednoduše difúzí do okolního prostoru.

Mezibuněčné můstky – pasivní přenos

Toto je okrajový způsob, který se vyskytuje zejména u obojživelníků, u savců zcela výjimečně. Jeho podstata je velmi prostá, buňky jsou propojeny úzkým "tunelem", který umožňuje přímý přenos AP mezi jejich cytoplazmami. Tento způsob přenosu AP se velmi hojně vyskytuje v srdečních svalových buňkách.

Použitá literatura

• Encyclopedia Brittanica – knowledge in depth, svazek 24 (?, 1992)
• Lexikon der Biologie (Breisgau 1987)
• Časopis Vesmír 2003 / strana 615