Physiology of Nerves: Excitation and Conduction PDF

Physiology of Nerves: Excitation and Conduction Theoretical Physiology I Dr. Sarah Jaafar Lecture: 2 College of Pharmacy Stage: 2nd Al-Ayen University 1 ...

Physiology of Nerves: Excitation and Conduction Theoretical Physiology I Dr. Sarah Jaafar Lecture: 2 College of Pharmacy Stage: 2nd Al-Ayen University 1  :‫ يتكون من ثالثة أجزاء رئيسية‬.‫اجلهاز العصبي هو نظام عضوي معقد للغاية‬ Nervous System ‫ وجزء‬,(‫ واجلهاز العصبي املركزي )التكامل‬,(‫جزء اإلدخال احلسي )االستشعار‬.(‫اإلخراج احلركي )االستجابة‬ The nervous system is a very complex organ system. It is composed of three major parts: the sensory input portion (sensing), the central nervous system (integrating), and the motor output portion (responding). ‫ من خالل استخدام األعضاء احلسية‬,‫تكتشف املستقبالت احلسية حالة اجلسم ومحيطه‬.‫والنهايات العصبية للكشف عن التغيرات داخل اجلسم وخارجه‬ Sensory receptors detect the state of the body and its surroundings, by uses sense organs and nerve endings to detect changes both inside and outside the body. The brain stores information, and determines reactions that the body performs in response to the sensations. Appropriate signals are then transmitted through the motor output portion. ‫ ثم‬.‫ ويحدد ردود الفعل التي يقوم بها اجلسم استجابة لألحاسيس‬,‫يخزن الدماغ املعلومات‬ 2.‫تنتقل اإلشارات املناسبة من خالل جزء إخراج احملرك‬  ‫ اخلاليا العصبية )اخلاليا العصبية( واخلاليا الدبقية العصبية‬:‫هناك نوعان من اخلاليا يشكالن اجلهاز العصبي‬ ‫ اخلاليا العصبية هي اخلاليا القابلة لإلثارة واالندفاع التي تؤدي عمل اجلهاز‬.(‫)اخلاليا الدبقية أو اخلاليا الدبقية‬.‫ ف حي حتمي اخلاليا العصبية اخلاليا العصبية‬,‫العصبي‬ Two types of cells make up the nervous system: neurons (nerve cells) and neuroglia (glial cells or glia). Neurons are the excitable, impulse- conducting cells that perform the work of the nervous system, while neuroglia protect the neurons. Neurons and glial cells along with brain capillaries form a functional unit that is required for normal brain function, including synaptic activity, extracellular fluid homeostasis, energy metabolism, and neural protection. Disturbances in the interaction of these elements are the pathophysiological basis for many neurological disorders ‫تشكل اخلاليا العصبية واخلاليا الدبقية جنبا إلى جنب مع الشعيرات‬ ‫ مبا ف‬,‫الدموية ف الدماغ وحدة وظيفية مطلوبة لوظيفة الدماغ الطبيعية‬ ‫ واستقالب‬,‫ وتوازن السوائل خارج اخللية‬,‫ذلك النشاط املشبكي‬ ‫ االضطرابات ف تفاعل هذه العناصر هي‬.‫ واحلماية العصبية‬,‫الطاقة‬ ‫األساس الفسيولوجي املرضي للعديد من االضطرابات العصبية‬ 3  Divisions of the Nervous System: ‫ يتكون من الدماغ واحلبل الشوكي‬:(CNS) ‫اجلهاز العصبي املركزي‬ 1- Central nervous system (CNS): consists of the brain and spinal cord 2- Peripheral nervous system (PNS): consists of the vast network of nerves throughout the body..‫ يتكون من شبكة واسعة من األعصاب ف جميع أنحاء اجلسم‬:(PNS) ‫اجلهاز العصبي احمليطي‬ Peripheral nervous system Sensory division (afferent) Carries Motor division (efferent) Transmits signals from nerve endings to CNS information from CNS to rest of body Somatic motor Autonomic motor Somatic sensory Parasympathetic division Visceral sensory Sympathetic division Enteric nervous system Physiology lecture by Sarah Jaafar 4  Nerve Cells ‫ مليار خلية‬100 ‫ إلى‬80 ‫ يقدر أن اجلهاز العصبي املركزي يحتوي على‬.‫اخللية العصبية أو اخلاليا العصبية هي اللبنات األساسية للجهاز العصبي‬ Nerve cell or neuron is the basic building blocks of the nervous.‫عصبية‬ system. The CNS is estimated to contain 80 to 100 billion neurons. The typical neuron contains four parts: the cell body, dendrites, axon, ‫ جسم اخللية والتغصبات واحملور العصبي‬:‫حتتوي اخلاليا العصبية النموذجية على أربعة أجزاء‬ and axon terminals..‫ومحطات احملاور‬ The cell body (soma) contains the nucleus and is the metabolic center of the neuron. Neurons have several processes called dendrites that extend outward from the cell body. ‫يحتوي جسم اخللية )سوما( على النواة وهو املركز‬ ‫ حتتوي اخلاليا العصبية على‬.‫األيضي للعصبون‬ ‫العديد من العمليات التي تسمى التغصنات التي‬.‫متتد إلى اخلارج من جسم اخللية‬ 5  ‫حتتوي اخلاليا العصبية النموذجية أيضا على محور عصبي ليفي طويل ينشأ‬.‫ وهي تلة محور عصبي‬,‫من منطقة سميكة إلى حد ما من جسم اخللية‬ A typical neuron also has a long fibrous axon that originates from a somewhat thickened area of the cell body, the axon hillock. The first portion of the axon is called the initial segment. The axon divides into presynaptic terminals, each ending in a number of synaptic knobs which are also called terminal buttons. Terminal buttons contain vesicles in which the synaptic transmitters are stored. The axons of many neurons are enclosed by a sheath of myelin. The myelin sheath envelops the axon except at its ending and at the nodes of Ranvier.‫يسمى اجلزء األول من احملور باجلزء األولي‬ ‫حتتوي أزرار احملطة الطرفية على حويصالت يتم فيها تخزين‬ ,‫ينقسم احملور إلى أطراف ما قبل املشبكية‬ ‫ يتم إحاطة محاور العديد من اخلاليا‬.‫أجهزة اإلرسال املشبكية‬ ‫ينتهي كل منها بعدد من املقابض املشبكية‬ ‫ يغلف غمد املايلي احملور إال ف‬.‫العصبية بغمد من املايلي‬.‫التي تسمى أيضا أزرار احملطة الطرفية‬ Physiology lecture by Sarah Jaafar ‫نهايته وف عقد رانفير‬ 6.‫ م‬1 ‫ ميكرومتر تفصلها حوالي‬1 ‫عقد رانفير هي انقباضات دورية‬ Nodes of Ranvier are periodic 1-μm constrictions that are about 1 mm apart. ‫ ميكن تصنيف اخلاليا العصبية على أنها أحادية القطب‬,‫استنادا إلى عدد العمليات ف جسم اخللية‬.‫وثنائية القطب ومتعددة األقطاب‬ Based on the number of processes in their cell body, neurons can be classified as unipolar , bipolar , and multipolar. Unipolar neuron has one process: an axon that extends from the cell body, bipolar neuron has two processes: an axon and a dendrite with the cell body in between the two ‫من‬processes, and multipolar neuron ‫ محور عصبي ميتد‬:‫حتتوي اخلاليا العصبية أحادية القطب على عملية واحدة‬ has one axon and multiple dendrites.‫ محور عصبي وتشعب مع‬:‫ والعصبون ثنائي القطب له عمليتي‬,‫جسم اخللية‬ ‫ والعصبون متعدد األقطاب يحتوي على محور واحد‬,‫جسم اخللية بي العمليتي‬.‫وتشعبات متعددة‬ Multipolar neuron Bipolar neuron Unipolar neuron 7  ‫ فهي تستجيب للمحفزات‬,‫حتتوي اخلاليا العصبية على غشاء مثير‬ ‫ إمكانات‬:‫ يتم إنتاج نوعي من‬.‫الكهربائية أو الكيميائية أو امليكانيكية‬ Excitation and Conduction ,‫محلية غير منتشرة تسمى اإلمكانات املشبكية; واإلمكانات املنتشرة‬.(‫إمكانات العمل )أو النبضات العصبية‬ Nerve cells have excitable membrane, they respond to electrical, chemical, or mechanical stimuli. Two types of are produced: local, non-propagated potentials called synaptic potentials; and propagated potentials, the action potentials (or nerve impulses ). There is a slight excess of negative ions along the inner aspect of the membrane and extra positive ions along the outer membrane. This separation of charges creates a membrane potential that can be measured as a voltage. ‫هناك فائض طفيف من األيونات السالبة على طول اجلانب الداخلي‬ ‫ يخلق هذا‬.‫للغشاء وأيونات إيجابية إضافية على طول الغشاء اخلارجي‬.‫الفصل بي الشحنات جهدا غشائيا ميكن قياسه كجهد‬ 8  Resting Membrane Potential.‫ إشارات‬,‫ مثل األلياف العصبية‬,‫( الفترة الزمنية التي ال تنقل فيها اخلاليا القابلة لإلثارة‬RMP) ‫متثل إمكانات غشاء الراحة‬ The resting membrane potential (RMP) represents the period of time when excitable cells, such as nerve fibers, are not transmitting signals. In neurons, the concentration of potassium (K+) is much higher inside than outside the cell, while the reverse is the case for sodium (Na+). The RMP is usually about –70 mV, which is close to the equilibrium potential for K+. Because there are more open K+ channels than Na+ channels at rest, the membrane permeability to K+ is greater. ‫( أعلى بكثير داخل اخللية منه‬+K) ‫ يكون تركيز البوتاسيوم‬,‫ف اخلاليا العصبية‬ ‫ عادة ما يكون‬.(+Na) ‫ ف حي أن العكس هو احلال بالنسبة للصوديوم‬,‫خارجه‬ ‫ نظرا لوجود قنوات‬.+K ‫ وهو قريب من إمكانات التوازن ل‬,mV 70- ‫ حوالي‬RMP.‫ أكبر‬+K ‫ فإن نفاذية الغشاء إلى‬,‫ عند الراحة‬+Na ‫ مفتوحة أكثر من قنوات‬+K Physiology lecture by Sarah Jaafar 9  ‫ من‬+Na ‫ التي تزيل ثالثة‬,Na/K-ATPase ‫تساعد مضخة الغشاء‬.RMP ‫ ف احلفاظ على‬,‫ إلى الداخل‬+K ‫داخل اخللية مع إعادة اثني من‬ The Na/K-ATPase membrane pump, which removes three Na+ from inside the cell while returning two K+ to the inside, assists in maintaining the RMP. ‫ مما يتسبب‬,‫ يصبح غشاء اخللية أكثر قابلية للنفاذ إلى الصوديوم‬,‫أثناء إمكانات العمل‬.‫ف تغيير قطبيته بحيث يكون إيجابيا من الداخل وسلبيا من اخلارج‬ During an action potential, the cell membrane becomes more permeable to sodium, causing its polarity to change so that it is positive on the inside and negative on the outside. Each action potential begins with a sudden change from the normal resting negative membrane potential to a positive potential and ends with an almost equally rapid change back to the negative potential. ‫تبدأ كل إمكانات عمل بتغيير مفاجئ من إمكانات الغشاء السلبي الطبيعي للراحة‬.‫إلى إمكانات إيجابية وتنتهي بتغيير سريع تقريبا إلى اإلمكانات السلبية‬ 10 Action potential ‫إمكانات العمل هي االستجابات الكهربائية األولية للخاليا العصبية واألنسجة‬.‫ وهي الشكل الرئيسي للتواصل داخل اجلهاز العصبي‬,‫األخرى القابلة لإلثارة‬ Action potentials are the primary electrical responses of neurons and other excitable tissues, and they are the main form of communication ‫ترجع إمكانات العمل إلى التغيرات ف توصيل األيونات عبر غشاء‬ within the nervous system..‫ عادة ما يتم نقل الدافع )إجراؤه( على طول احملور إلى إنهائه‬.‫اخللية‬ Action potentials are due to changes in the conduction of ions across the cell membrane. The impulse is normally transmitted (conducted) along the axon to its termination. Nerve signals are transmitted by action potentials, which are rapid changes in the membrane potential that spread rapidly along the nerve fiber membrane. ‫ وهي تغيرات‬,‫تنتقل اإلشارات العصبية عن طريق إمكانات العمل‬ ‫سريعة ف إمكانات الغشاء التي تنتشر بسرعة على طول غشاء األلياف‬.‫العصبية‬ 11.‫ ومرحلة إعادة االستقطاب‬,‫ ومرحلة إزالة االستقطاب‬,‫هناك ثالث مراحل متتالية من مرحلة الراحة احملتملة للعمل‬ There are three successive stages of the action potential including: resting stage, depolarization stage, and repolarization stage. Resting stage: is the RMP before the action potential begins. The membrane is said to be “polarized” during this stage because of the −70 millivolts negative membrane potential that is present. "‫ يقال إن الغشاء "مستقطب‬.‫ قبل بدء إمكانات العمل‬RMP ‫ هي‬:‫مرحلة الراحة‬.‫ مليفولت املوجودة‬70- ‫خالل هذه املرحلة بسبب إمكانات الغشاء السلبية‬ 12  ‫ مما يسمح‬,+Na ‫ يصبح الغشاء فجأة قابال للنفاذ إلى‬,‫ ف هذا الوقت‬:‫مرحلة إزالة االستقطاب‬.‫ املشحونة إيجابيا إلى داخل احملور‬+Na ‫باالنتشار السريع أليونات‬ Depolarization stage: at this time, the membrane suddenly becomes permeable to Na+, allowing rapid diffusion of positively charged Na+ ions to the interior of the axon. ‫ ملي فولت على الفور عن طريق التدفق‬70- ‫يتم حتييد احلالة املستقطبة الطبيعية البالغة‬ ‫ وهي‬,‫ مع ارتفاع اإلمكانات بسرعة ف االجتاه اإليجابي‬,+Na ‫الداخلي املشحون إيجابيا‬ The normal polarized state of −70 millivolts is immediately neutralized.‫عملية تسمى إزالة االستقطاب‬ by the inflowing, positively charged Na+, with the potential rising rapidly in the positive direction, a process called depolarization. In large nerve fibers, the great excess of positive Na+ moving to the inside causes the membrane potential to actually overshoot beyond the zero level and to become somewhat positive. ‫ اإليجابي الذي يتحرك إلى‬+Na ‫ يؤدي الفائض الكبير ف‬,‫ف األلياف العصبية الكبيرة‬ ‫الداخل إلى جتاوز إمكانات الغشاء بالفعل إلى ما بعد مستوى الصفر ويصبح إيجابيا إلى‬.‫حد ما‬ 13  ‫ تقترب اإلمكانات فقط‬,‫ وكذلك ف العديد من اخلاليا العصبية للجهاز العصبي املركزي‬,‫ف بعض األلياف األصغر‬.‫من املستوى الصفري وال تتجاوز إلى احلالة اإليجابية‬ In some smaller fibers, as well as in many central nervous system neurons, the potential merely approaches the zero level and does not overshoot to the positive state. Repolarization stage: within a few 10,000ths of a second after the membrane becomes highly permeable to Na+ ions, the sodium channels begin to close, and the K+ channels open to a greater degree than normal. Then, rapid diffusion of K+ ions to the exterior reestablishes the normal negative RMP, which is called repolarization of the membrane. ‫ من الثانية بعد أن يصبح الغشاء‬10000 ‫ ف غضون بضعة‬:‫مرحلة إعادة االستقطاب‬ +K ‫ وتفتح قنوات‬,‫ تبدأ قنوات الصوديوم ف اإلغالق‬,+Na ‫نافذا للغاية أليونات‬ ‫ إلى اخلارج‬+K ‫ يؤدي االنتشار السريع أليونات‬,‫ بعد ذلك‬.‫بدرجة أكبر من املعتاد‬.‫ والتي تسمى إعادة استقطاب الغشاء‬,‫ السلبية الطبيعية‬RMP ‫إلى إعادة تأسيس‬ 14  ‫ ف ما يسمى تلة‬,‫تبدأ إمكانات العمل ف بداية احملور‬ +Na ‫ حيث توجد كثافة عالية من قنوات‬,‫احملور‬ ‫ ثم تنتقل إمكانات العمل‬.‫ذات اجلهد الكهربائي‬ Propagation of the Action Potential.‫على طول احملور من خالل االنتشار‬ The action potential is initiated at the beginning of the axon, at what is called the axon hillock, where is a high density of voltage-gated Na+ channels. The action potential then travels along the axon through propagation. +Na ‫ يتم نشر إمكانات العمل ألنه يتم فتح املزيد من قنوات‬,‫ف احملاور غير امليلينية‬.‫ذات اجلهد الكهربائي مع انتشار إزالة االستقطاب‬ In unmyelinated axons, the action potential is propagated because more voltage-gated Na+ channels are opened as the depolarization spreads. This spreading occurs because Na+ enters through the channel and moves along the inside of the cell membrane..‫ يدخل عبر القناة ويتحرك على طول اجلزء الداخلي من غشاء اخللية‬+Na ‫يحدث هذا االنتشار ألن‬ 15  ‫ مما ينشر إزالة‬,‫ اجلديدة وتندفع املزيد من األيونات إلى اخللية‬+Na ‫ تفتح قنوات‬,‫مع انتشار هذا االستقطاب‬.‫االستقطاب إلى أبعد قليال‬ As that depolarization spreads, new Na+ channels open and more ions rush into the cell, spreading the depolarization a little farther. When myelination is present, the action potential propagates differently. Na+ ions that enter the cell at the initial segment start to spread along the length of the axon segment, but there are no voltage-gated Na+ channels until the first node of Ranvier. Because there is not constant opening of Na+ channels along the axon segment, the depolarization spreads at an optimal speed. ‫ ينتشر احتمال العمل‬,‫عندما يكون امليالي موجودا‬ ‫ التي تدخل‬+Na ‫ تبدأ أيونات‬.‫بشكل مختلف‬ ‫اخللية ف اجلزء األولي ف االنتشار على طول اجلزء‬ ‫ ذات جهد‬+Na ‫ ولكن ال توجد قنوات‬,‫احملوري‬.‫كهربائي حتى العقدة األولى من رانفير‬ 16  ‫فوض ملن وسعت ألطافه أمما‬ ‫نعم الوكيل ونعم العون واملدد‬ Ahmed adnan References: 1- John E. Hall and Michael E. Hall (2021). Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. 14th edition. Elsevier, Inc. 2- Kim E. Barrett, Susan M. Barman, Scott Boitano, and Heddwen L. Brooks (2012). Ganong’s Review of Medical Physiology. 24th edition. McGraw-Hill Companies, Inc. Physiology lecture by Sarah Jaafar 17