Điện thế hoạt động The Action Potential
Chức năng của sợi trục là truyền thông tin trên khoảng cách xa, chẳng hạn từ da đến tủy sống, hoặc từ tủy sống đến cơ. Dẫn điện truyền tải thông tin gần như ngay tức khắc, nhưng cơ thể chúng ta là một chất dẫn điện tương đối kém. Nếu sợi trục dẫn điện, các xung điện sẽ yếu dần khi đi xa. Điều này có nghĩa là người thấp sẽ cảm thấy đau hơn ở ngón chân so với người cao nếu cả hai đều cảm thấy đau ở ngón chân của mình.
Thay vào đó, các sợi trục truyền thông tin bằng một quá trình gọi là điện thế hoạt động, một kích thích đi dọc một sợi trục với cường độ không đổi mà không phụ thuộc vào khoảng cách. Một điện thế hoạt động là một thông điệp “có-không” hoặc “bật-tắt”, như là việc chúng ta bật công tắc bóng đèn (mà không có chế độ nửa nửa). Sự thật rằng một sợi trục không thể thay đổi được cường độ hoặc tốc độ của điện thế hoạt động được gọi là quy luật “tất cả hoặc không” của điện thế hoạt động.
Ưu điểm của hình thức truyền tín hiệu bằng điện thế hoạt động so với thông tin qua quá trình truyền điện đó là, điện thế hoạt động truyền tới não bạn một lực được hoàn toàn giữ nguyên. Nhược điểm là quá trình truyền thông tin bằng điện thế hoạt động sẽ tốn thời gian. Ví dụ như, cảm giác về điều gì đó xảy ra với ngón chân của bạn sẽ chậm hơn 1/20 giây so với thực tế. Cảm giác đau và ngứa ngáy đến thậm chí còn chậm hơn. Với 20 giây độ trễ này, tuy là sẽ ít khi làm bạn thấy khó chịu, tuy nhiên, sự chậm trễ trong quá trình truyền tín hiệu này lại này rất thú vị về mặt lý thuyết. Khi các nhà nghiên cứu lần đầu tiên trình bày rằng, cảm giác xúc giác của bạn bị trì hoãn trong quá trình những thông tin này đi tới não, kết quả cho thấy, sự nhận thức cảm giác xảy ra trong đầu của bạn, chứ không phải ở ngón tay. Khi bạn chạm vào thứ gì đó, dường như cảm giác là ở ngón tay, nhưng thật ra không phải vậy, cảm giác này thật ra nằm ở trong đầu của bạn. Một bằng chứng cho thấy điều này (và đã được minh chứng), là khi thậm chí một ngón tay bị cắt đi, và việc chạm vào ngón tay sẽ không tạo ra bất kỳ cảm giác gì, nếu như vùng não liên quan về cảm giác của bạn bị tổn thương.
Sau đây là mô tả ngắn gọn về cách điện thế hoạt động hoạt động:
- Khi sợi trục không bị kích thích, trong màng của sợi trục mang điện thế nghỉ, và sự phân cực điện từ qua màng (hoặc lớp phủ) có thể nhận thấy giữa môi trường bên ngoài và màng của sợi trục. Thông thường, bên trong màng của sợi trục có điện tích khoảng –70 milivôn so với môi trường bên ngoài. Sở dĩ bên trong màng của sợi trục có giá trị đện tích như vậy, là do bên trong màng của sợi trục có sẵn các protein mang điện tích âm. Ngoài ra, một cơ chế nữa cũng xuất hiện trong quá trình truyền thông tin bằng điện thế hoạt động đó là những cổng bơm Natri-kali, có tác dụng đẩy các ion natri ra khỏi sợi trục và kéo các ion kali vào. Do đó, các ion Natri tập trung nhiều hơn ở bên ngoài và các ion kali tập trung nhiều hơn bên trong sợi trục.
- Điện thế hoạt động có thể bắt đầu theo một trong hai cách: Thứ nhất, một số lượng lớn các sợi trục tự sản sinh ra các tín hiệu tự phát. Thứ hai, kích thích đầu vào, có nguồn gốc từ các neuron, có thể kích thích màng neuron của một neuron khác. Trong cả hai trường hợp, nếu sự kích thích đạt ngưỡng (thường là khoảng –55 milivôn), trên sợi trục sẽ nhanh chóng mở ra một số cửa ion Natri và kali mà ở đó, ion Kali và Natri có thể đi qua. Các ion Natri, tập trung nhiều bên ngoài màng, đi vào bên trong của sợi trục, do bị hút bởi điện tích âm bên trong. Dòng các ion Natri tích điện dương chính là điện thế hoạt động. Khi điện tích dương đi vào sợi trục tại một điểm, nó kích thích điểm tiếp theo dọc theo sợi trục, điểm này sau đó bắt đầu mở các kênh Natri và lặp lại quá trình như trên, được thể hiện trong ▲ Hình 3.4.
- Sau khi các cổng Natri mở trong vài miligiây, chúng sẽ đóng lại, nhưng các cổng Kali vẫn được mở ra lâu hơn một chút. Bởi vì các ion Natri đã mang điện tích dương vào trong tế bào, vậy nên, bên trong tế bào không còn bị hút các ion Kali nữa, và vì các ion Natri tập trung bên trong tế bào nhiều hơn bên ngoài nên chúng có xu hướng chảy ra khỏi tế bào, mang theo điện tích dương. Sự thoát ra của các ion Natri mang điện tích dương này thúc đẩy bên trong sợi trục quay trở lại điện thế nghỉ (xem ▼ Hình 3.5b).
- Cuối cùng, bơm Natri-kali loại bỏ các ion Natri thừa trong sợi trục và thu lại lượng các ion Kali đã thoát ra.
Hãy cùng tóm lại điểm chính của quá trình này: Ion Natri đi vào sợi trục (Trạng thái kích thích), sau đó là sự thoát ra của ion Kali (Đưa sợi trục về lại trạng thái điện thế nghỉ)
Sự dẫn truyền dọc theo sợi trục tương tự như ngọn lửa cháy dọc theo sợi dây: Ngọn lửa tại mỗi điểm sẽ đốt cháy điểm tiếp theo, lần lượt đốt cháy điểm sau đó. Trong sợi trục, sau khi các ion Natri đi vào màng, một số trong số chúng khuếch tán sang phần lân cận của sợi trục, khiến nó đủ kích thích để mở các cổng Natri của chính nó. Điện thế hoạt động truyền đến khu vực tiếp theo này và cứ thế dẫn tới cuối sợi trục, như thể hiện trong Hình 3.5. Theo cách này, điện thế hoạt động vẫn giữ cường độ như nhau cho đến hết sợi trục.
Thông tin này liên quan đến tâm lý học như thế nào? Thứ nhất, nó giải thích tại sao cảm giác từ các ngón tay và ngón chân của bạn không mờ đi đến khi chúng đến não của bạn. Thứ hai, sự hiểu biết về các điện thế hoạt động là một bước tiến tới sự hiểu về sự giao tiếp giữa các neuron. Thứ ba, thuốc gây tê (ví dụ như Novocain) hoạt động bằng cách làm tắc cổng Natri và do đó làm im lặng neuron. Khi nha sĩ của bạn khoan một chiếc răng, các thụ thể trong răng của bạn sẽ gửi thông điệp “Đau! Đau! Đau!” Nhưng thông điệp đó không đến được não của bạn vì các cổng Natri bị chặn.
Kiểm tra kiến thức
Câu 2. Nếu chuột và hươu cao cổ cùng bị dẫm vào ngón chân, con nào sẽ phản ứng nhanh hơn? Tại sao?
Câu 3. Điền vào những chỗ trống này: Khi màng sợi trục ở trạng thái nghỉ, bên trong sợi trục sẽ điện tích ______ so với bên ngoài. Khi màng đạt đến ngưỡng của nó, các ion ____ đi từ ngoài vào trong, mang theo điện tích ______. Dòng ion đó tạo nên _____ _______ của sợi trục.
Source: Kalat, J. W. (2017). Introduction to psychology (11ed). Boston, MA: Cengage Learning.
