پالس های الکتریکی در مغز شما دقیقاً چیست؟
با خواندن این کلمات، میلیاردها میلیارد پالس الکتریکی در مغز شما به وجود می آید. یک سمفونی پیچیده از فعالیت نورون ها، به نوعی افکار، احساسات و درک شما را رمزگذاری می کنند. حدود ۸۵ میلیارد نورون در مغز یک انسان بالغ معمولی و حدود ده کوادریلیون اتصال – یا سیناپس – بین همه آن نورون ها وجود دارد (که یک عدد ۱ به همراه ۱۶ صفر است!).
پیچیدگی‌اش واقعاً حیرت‌انگیز است و به سختی می‌توان آن را تصور کرد. اندازه و فضای محاسباتی این شبکه اطلاعاتی هر مفهومی از درک بصری را به چالش می کشد.
و تازه این صحبت ها فقط راجع به نورون ها بود. ۸۶ میلیارد سلول غیر عصبی دیگر در مغز شما وجود دارد – از جمله دسته‌ای از سلول‌ها که به پردازش اطلاعات کمک می‌کنند و می‌توانند با آن ۸۵ میلیارد نورون ارتباط متقابل داشته باشند. این پیچیدگی به حدی خیره کننده است که تنها راه تلاش برای درک آن استفاده از مدل سازی ریاضی و تجزیه و تحلیل داده ها است. دانشمندان علوم اعصاب حتی ممکن است برای شبیه سازی کامل مغز نیاز داشته باشند تا از کامپیوترهای کوانتومی استفاده کنند.
و با این حال، واحد اساسی این پیچیدگی، تمام پردازش اطلاعات در حال انجام، پالس های الکتریکی و سیگنال های شیمیایی هستند.
درک پیچیدگی های مغز
این داستان لزوماً با اینکه آناتومی و ساختار یک سلول عصبی مغز چگونه به نظر می رسد آغاز می شود. چند مفهوم کلیدی وجود دارد که باید از آنها آگاه باشیم. نورون قطبیت دارد- یک انتهای جلو و انتهای عقب. در قسمت جلو، دندریت‌ها، برآمدگی‌های شاخه شاخه و اغلب متراکمی هستند که همگی در جسم سلولی به هم می‌رسند.
جسم سلولی دارای ساختارها و اندامک‌هایی است («ارگان‌های کوچک» درون نورون) که آن را زنده نگه می‌دارند و فرآیندهای سلولی و ژنتیکی مختلفی را انجام می‌دهند. آکسون به جسم سلولی متصل است. در امتداد آکسون است که پتانسیل‌های عمل – پالس های الکتریکی – منتشر می‌شوند تا زمانی که به پایانه‌های سیناپسی می‌رسند، و یک فرآیند بیوشیمیایی را آغاز می‌کنند که سیگنال را به نورون‌های دیگر منتقل می‌کند.
پتانسیل‌های عمل حامل‌های فیزیکی اطلاعاتی هستند که از نورون عبور می‌کنند و سپس به نورون‌های دیگر در شبکه منتقل می‌شوند.
جهت گیری دقیقی برای جریان اطلاعات وجود دارد.
دندریت ها سیگنال های دریافتی از نورون های دیگر را جمع آوری و ادغام می کنند. اگر مقدار ادغام آن سیگنال ها کافی باشد – جمع سیگنال های فردی با یکدیگر – و آنها به آستانه بحرانی خاصی برسند، آنگاه یک پتانسیل عمل در بخش اولیه ایجاد می شود – نقطه ای که آکسون از جسم سلولی شروع می شود. سپس پتانسیل عمل بعدی بدون وقفه و بدون کاهش در اندازه (دامنه) و شکل (شکل موج الکتریکی) در تمام طول آکسون منتشر می شود تا زمانی که به پایانه های سیناپسی برسد.
سیگنالی که از سیناپس به نورون های دیگر می رسد به عنوان یک پالس الکتریکی نیست، بلکه یک پیام شیمیایی است که سپس تکانه های الکتریکی جدیدی را در دندریت های نورون های پایین دست ایجاد می کند، که فقط یکی از ده ها تا صدها هزار ورودی است. به طور همزمان روی دندریت ها رخ می دهد. به این ترتیب، میلیاردها میلیارد سیگنال به طور مستقل و به طور همزمان در سراسر مغز در سراسر شبکه عظیم ۸۵ میلیارد نورون منتشر می شود.
نتیجه شما و آنچه که هستید را رقم می زند
چه فکر می کنید، چگونه از طریق حواس خود با دنیای فیزیکی تعامل می کنید، چه چیزی تصور می کنید، چه احساسی دارید، چگونه یاد می گیرید، و چگونه به یاد می آورید. تا آنجا که ما می دانیم ذهن شما نتیجه فرآیندهای فیزیکی در مغز شما و تمام پتانسیل های عمل و سایر سیگنال های سلولی است که مسئول حمل و پردازش جمعی تمام اطلاعات مغز هستند.
هر کجای صحبت های گفته شده، جا برای بحث زیاد دارد. همچنین کمی شبیه دایره است. فرقی نمی کند که از کجای دایره شروع کنید، می توانید از هر جایی شروع کنید، دور بزنید و در نهایت به همان مکان بازگردید. بنابراین برای درک نحوه ارتباط نورون ها با یکدیگر، باید از جایی شروع کنیم. در هر نقطه از دایره، از آنجایی که یک نورون سیگنال‌هایی را از دیگر نورون‌های بالادست دریافت می‌کند، در نهایت این سیگنال‌ها را به نورون‌های دیگر پایین‌دست منتقل می‌کند.
اما جزئیات مهم است. بنابراین در یک سری مقالات به بررسی هر یک خواهیم پرداخت.
پالس های الکتریکی در دندریت ها از نظر عملکردی و بیوفیزیکی با پتانسیل های عمل در آکسون متفاوت است. و وقایع در پایانه های سیناپسی زمانی که پتانسیل عمل به انتهای آکسون می رسد کاملاً متفاوت از آنچه در دندریت ها یا آکسون رخ می دهد است. در واقع، همانطور که در بالا ذکر شد، آنچه در سیناپس اتفاق می افتد، الکتریکی نیست. یک مکانیسم بیوشیمیایی است که با رسیدن پتانسیل عمل تحریک می شود و سیگنال را از طریق سیناپس به نورون بعدی منتقل می کند.
اساس فیزیکی پالس های الکتریکی در سلول ها
اولین چیزی که باید درک کرد این است که یک پالس الکتریکی به چه معناست. این یک اصل سازنده است که بارها و بارها به آن اشاره خواهیم کرد.
غشای سلولی مانند “پوست” یک سلول است. همه چیز داخل سلول را از همه چیز در بیرون جدا می کند. این ماده از مولکول هایی به نام فسفولیپیدها، زنجیره های بلند کربنی که با یکدیگر برهم کنش دارند، محیطی درونی در داخل غشاء ایجاد می کند که آب را دفع می کند (محیط آبگریز)، و مولکول های سطحی که قادر به برهم کنش با آب (محیط آبدوست) هستند. از آنجایی که ما عمدتاً از آب تشکیل شده‌ایم، از جمله مایعاتی که تمام سلول‌های بدن ما را احاطه کرده‌اند، این منجر به جدا شدن فسفولیپیدها و حفظ درون سلولی در داخل و بقیه جهان در خارج می‌شود.
محیط آبگریز غشای سلولی مملو از مولکول های دیگر در بین فسفولیپیدها است که کارهای مختلفی انجام می دهند. این مجموعه ای تنظیم شده و کنترل شده از مکانیسم ها و نقاط کنترلی را برای سلول فراهم می کند تا با محیط محلی خود تعامل داشته باشد، که بی شباهت به روشی که ما از حواس پنج گانه خود برای تعامل با دنیای فیزیکی اطراف خود استفاده می کنیم نیست.
کانال های یونی چگونه به وجود بار الکتریکی در سلول معنا می بخشند
یک دسته از مولکول ها در غشای سلولی کانال های یونی نامیده می شوند. اینها به معنای واقعی کلمه کانال ها یا منافذی از طریق غشای سلولی هستند که به یون ها اجازه می دهند از داخل سلول به بیرون یا از بیرون به داخل جریان پیدا کنند. یون یک گونه شیمیایی باردار الکتریکی است. عنصری از جدول تناوبی با یک عدم تعادل در الکترون ها که به آن بار الکتریکی می دهد.
در نورون‌ها، مهم‌ترین یون‌هایی که باید بدانیم یون‌های سدیم (Na+)، یون‌های پتاسیم (K+) و یون‌های کلسیم (Ca2+) هستند. این یون ها به معنای واقعی کلمه حامل بار الکتریکی در سراسر غشا هستند که در نهایت تمام آن پالس های الکتریکی را تشکیل می دهند.
اگرچه کانال ها همیشه باز نیستند.
آنچه باز و بسته شدن یک کانال یونی را کنترل می کند چیزی است که در مقاله بعدی به آن خواهیم پرداخت.
رمزگذاری اطلاعات در مغز
در نورون‌ها، دقیقاً جریان بسیاری از یون‌های سدیم و پتاسیم در سراسر غشای سلولی در یک توالی بسیار خاص است که پتانسیل عمل و فعالیت الکتریکی در دندریت‌ها را تشکیل می‌دهد. تمام این فعالیت های الکتریکی – با واسطه جریان یون های سدیم و پتاسیم در سراسر غشای سلولی نورون – در نهایت تمام اطلاعات موجود در مغز را رمزگذاری می کند.
با ذکر این مساله به عنوان نقطه شروع، ما قادر خواهیم بود بفهمیم که چگونه جریان این یون ها یک پتانسیل الکتریکی در غشای نورون ها ایجاد می کند و چگونه تغییرات گذرا موضعی بسیار سریع در پتانسیل غشاء پتانسیل های عمل را ایجاد می کند.
