Make your own free website on Tripod.com

บทที่ 2
    cell & cell membrane
    membrane potential
    synapse

Synapse

Types of synapses
    สัญญาณประสาทจะแพร่จาก neuron ตัวหนึ่งไปยัง neuron ตัวถัดไปโดยผ่านบริเวณ interneuronal junction ซึ่งเรียกว่า Synapse ทั้งนี้ synapse แบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือ chemical synapseและ electrical synapse
      Chemical synapse ประเภทนี้ neuron ตัวแรกจะหลั่งสารสื่อประสาทที่เรียกว่า neurotransmitter มาที่บริเวณ synapse และสารนี้จะเกาะกับ receptor protein ที่ cell membrane บริเวณ synapse ของ neuron ตัวถัดไป ซึ่งจะมีผลกระตุ้นหรือยับยั้งหรือเปลี่ยนแปลงการตอบสนองเป็นลักษณะอื่นๆ ก็ได้ สารสื่อประสาทนี้มีมากกว่า 40 ชนิด (ที่มีรายงานการค้นพบแล้ว) ตัวที่รู้จักกันแพร่หลายคือ acetylcholine, norepinephrine, histamine, gamma-aminobutyric acid (GABA) และ glutamate
    chemical synapse มีลักษณะที่สำคัญซึ่งสัมพันธ์กับการทำงานของระบบประสาทก็คือ การแพร่สัญญาณประสาทไปในทิศทางเดียว คือ จาก neuron ที่หลั่งสารสื่อประสาท (presynaptic neuron) ไปสู่ neuron ที่เป็นตัวรับ (postsynaptic neuron) จึงมีหลักการแพร่เป็นแบบ one-way conduction ซึ่งจะต่างจากการนำ impulse ของ electrical synapse ซึ่งจะแพร่ไปทางใดก็ได้
      synaptic transmission ของระบบประสาทส่วนใหญ่จะเป็น chaemical synapse ที่เป็น electrical synapse มักพบในการแพร่กระแสประสาทใน smooth muscle และ cardiac muscle ซึ่งมี gap junction (มี low resistance bridges ) ระหว่าง cell

Synaptic mechanism
      การปล่อย neurotransmitter ที่ presynaptic terminal
เมื่อ action potential มาถึงที่ presynaptic terminal จะทำให้เกิด depolarization (โดย action potential จะทำให้ Ca++ -channel ที่ presynaptic terminal เปิด) และ Ca++ จำนวนมากจะไหลมาที่บริเวณนั้น เป็นที่เชื่อกันว่า Ca++ จะเกาะกับ protein ที่ผิวด้านในของ synaptic membrane ของ terminal บริเวณที่ neurotransmitter จะถูกปล่อยออกมา (release site) ทำให้ vesicle ที่บรรจุ neurotransmitter เกาะเชื่อมกับ membrane และ fuse รวมเป็นเนื้อเดียวกันแล้วจะเปิดออกสู่ภายนอก (exocytosis) neurotransmitter จะถูกปล่อยออกที่บริเวณ synaptic cleft (และปริมาณ neurotransmitter ที่หลั่งจะเป็นสัดส่วนกับปริมาณ Ca++ influx พบว่าแต่ละ action potential จะทำให้ vesicle 2-3 อันปล่อย neurotransmitter ออกมา หาก vesicle นั้นบรรจุ acetylcholine พบว่าใน 1 vesicle จะมี acetylcholin บรรจุอยู่ประมาณ 2,000 ถึง 10,000 molecules

     บทบาทและหน้าที่ของ neurotransmitter ที่ postsynaptic neuron
ที่ postsynaptic neuron บริเวณ synapse จะมี receptor เมื่อ receptor ถูกกระตุ้นจาก neurotransmitter จะมีผลต่อ ion channel (บางทีเรียก ligand activated channelหรือ ligand gate) โดย ion channel จะเปิดออกให้ ion ผ่านเข้าสู่ภายใน cell ทั้งนี้ ion channel แบ่งย่อยเป็น 3 ชนิดคือ
         1. sodium channel ยอมให้ Na+ ผ่านเป็นส่วนมาก แต่ให้ K+ ผ่านได้บ้าง
         2. potassium channel ยอมให้ K+ ผ่านส่วนใหญ่
         3. chloride channel ยอมให้ Cl- ผ่าน และ ion ลบบางตัวผ่านได้บ้าง
พบว่าถ้า Na+ channel เปิดจะทำให้เกิด excitation ของ postsynaptic neuron ดังนั้น neurotransmitter ที่ทำให้ sodium channel เปิดจึงจัดเป็นพวก excitatory transmitter ส่วนพวกที่ทำให้ K+ หรือ Cl- channel เปิดจะเป็นพวก inhibitory transmitter ทำให้เกิด inhibition ของ post synaptic neuronนอกจากการเปลี่ยนแปลงของ membrane potential ซึ่งทำให้เกิด excitation และ inhibiton ของ cell ประสาทแล้ว การกระตุ้นยังมีผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภายใน postsynaptic neuron ได้ด้วย ได้แก่ การกระตุ้น metabolism ภายใน cell เช่น ทำให้เกิดการสร้าง cyclic AMP เพิ่มขึ้นซึ่ง cAMP นี้มีหน้าที่กระตุ้น intracellular activity ดังนั้น neurotransmitter ที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจึงถูกเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า modulator ซึ่งพบว่ามีความสำคัญในขบวนการความทรงจำ (memory process)

        การกำจัด transmitter ออกจากบริเวณ synapse

1.diffusion ออกจาก synaptic cleft ไปยังของเหลวบริเวณรอบๆ ที่ห่างออกไป
2.enzymatic destruction โดยที่บริเวณ synaptic cleft จะมี enzyme ทำหน้าที่ทำลาย neurotransmitter โดยตรง เช่น acetylcholine จะถูกทำลายโดย cholinesterase
3.active transport กลับเข้าไปสู่ presynaptic terminal ตามเดิม ที่เรียกว่า transmitter re-uptake ตัวอย่างเช่น re-uptake ของ norepinephrine
สำหรับพวกที่มี molecule ขนาดใหญ่ประเภท neuropeptide ส่วนใหญ่จะถูกพาออกไปจากบริเวณ synaptic cleft โดยการ diffusion ไปยังเนื้อเยื่อบริเวณรอบๆ หลังจากนั้นจะถูกทำลายภายใน 2 ถึง 3 นาที หรืออาจนานเป็นหลายชั่วโมง โดย enzyme ที่เฉพาะหรือ enzyme ทั่วๆ ไปก็ได้

Synaptic delay
เมื่อ nerve impulse มาถึง presynaptic terminal จะมีช่วงเวลาว่างประมาณ 0.5 ms. ซึ่งเรียกว่า synaptic delay ก่อนที่ postsynaptic neuron จะเริ่มตอบสนอง synaptic delay เป็นช่วงเวลาที่ neurotransmitter จะถูกปล่อยออกมาสู่ synaptic cleft และไปเกาะกับ receptor ของ postsynaptic neuron ดังนั้นถ้า neural pathway ใดมี synapse จำนวนมากก็จะทำให้ใช้เวลาในการส่งกระแสประสาทมากขึ้น แต่ถ้ามี synapse จำนวนน้อย pathway นั้นก็จะเสร็จสิ้นได้เร็ว เราสามารถประเมินได้ว่า reflex ใดๆ จะเป็น monosynapse หรือ polysynapse โดยวัดระยะเวลาของ synaptic delay เพราะปกติ 1 synapse จะมี delay ประมาณ 0.5 ms. นอกจากนี้ synapse นั้นยังสามารถแบ่งออกได้ (ตามจำนวน neuron ที่มา synapse กัน) เป็น 2 แบบ คือ
       1. Convergence หมายถึง presynaptic terminal จาก neuron 1 ตัว หรือ neuron หลายตัวมา synapse กับ postsynaptic neuron ตัวใดตัวหนึ่ง
       2. Divergence หมายถึง presynaptic terminal ของ neuron 1 ตัว มี axon แตกแขนงไป synapse กับ postsynaptic neuron หลายๆ ตัว

EPSP และ IPSP ของ post synaptic neuron
      การตอบสนองไม่อาจเกิด action potential ในครั้งแรก แต่เกิดเป็น partial depolarization หรือ partial hyperpolarization เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของ membrane potential นั้นไม่มากพอที่จะทำให้เกิด depolarization จนถึงขั้นเกิดเป็น action potential สำหรับ partial depotarization นั้นเรียกว่า excitatory postsynaptic potential (EPSP) ส่วน partial hyperpolarization นั้นเรียกว่า inhibitory postsynaptic potential (IPSP) การเกิด EPSP และ IPSP นั้น อธิบายได้ว่า EPSP นั้นเกิดจาก neurotransmitter (เช่น acetylcholine) ออกฤทธิ์ ทำให้ Na+ channel ที่ membrane ของ postsynaptic neuron เปิด ส่วน IPSP นั้นเกิดจาก neurotransmitter (เช่น GABA, glycine) ออกฤทธิ์ทำให้ Cl- channel ที่ membrane ของ postsynaptic neuron เปิด
อย่างไรก็ตามทั้ง EPSP (หรือ IPSP) สามารถเกิดการรวมกัน (summation) แล้วเกิดเป็น propagated action potential (หรือ inhibition) ได้ ( รูปที่ 4 ) ซึ่งการรวมกันนี้แบ่งเป็น 2 แบบ คือ
           1. spatial summation (many places at the same time)
           2. temperal summation (many times at the same place)
1. Spatial summation หมายถึง การที่ EPSP จากหลายที่เกิดขึ้นพร้อมๆ กัน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของ potential ภายใน cell มากพอจนถึง threshold ก็เกิดเป็น action potential
2. Temperal summation หมายถึง การที่ EPSP ที่ตำแหน่งหนึ่งเกิดขึ้นซ้ำกันอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของ potential ภายใน cell มากพอจนถึง threshold ก็เกิดเป็น action potential

รูปที่ 4 ระยะต่าง ๆ ของ neuron ได้แก่
A : ระยะพักค่าศักย์ไฟฟ้าใน cell - 65 mV
B : ระยะ ecxitation มีค่าศักย์ไฟฟ้าใน cell เพิ่มขึ้นเป็น - 45 mV เนื่องจากมี Na+ influx
C : ระยะ inhibition มีค่าศักย์ไฟฟ้าใน cell ลดลง ( เมื่อเทียบกับระยะพัก ) เป็น - 70 mV เนื่องจากมี K+ influx หรือ Cl+ influx หรือทั้งสองอย่าง
ที่มา : Guyton , 1991

Presynaptic and Postsynaptic inhibition
          ที่บริเวณ synapse อาจถูกควบคุมให้เกิด inhibition หรือลด excitation ของ postsynaptic neuron ได้ 2 แบบ ( รูปที่ 5) ดังนี้
       1. presynaptic inhibition แบบนี้จะมี axon จาก inhibitory neuron มา synapse ที่บริเวณ presynaptic terminal ของ presynaptic neuron และมีผลยับยั้งหรือลดการปล่อย neurotransmitter ที่ terminal ทำให้สัญญาณประสาท (action potential) ที่จะเกิดที่ postsynaptic neuron หายไปหรือลดลง
       2. postsynaptic inhibition แบบนี้จะมี inhibitory interneuron เข้ามาแทรกระหว่าง presynaptic neuron กับ postsynaptic neuron เมื่อ presynaptic neuron ส่งกระแสประสาทมาจะ synapse กับ interneuron ก่อนแล้ว interneuron จะ synapse กับ potsynaptic neuron แต่ interneuron เป็น inhibitory neuron จึงมีผลให้เกิด inhibition ของ postsynaptic neuron ตัวอย่างของ postsynaptic inhibition จะพบได้ในกรณีของ reciprocal innervation ในการทำงานของ stretch receptor ของ muscle spindle
  อย่างไรก็ตามในลักษณะของ presynaptic inhibition นั้นหากเกิดผลตรงกันข้ามคือเมื่อ axon ของ neuron ที่มา synapse presynaptic neuron แล้วมีผลทำให้ presynaptic terminal หลั่ง neurotransmitter มากขึ้น ทำให้เสริมการเกิด excitation ที่ postsynaptic neuron ลักษณะเช่นนี้เราเรียกว่า presynaptic facilitation

รูปที่ 5 แสดงการจัดเรียงตัวของ neuron ใน presynaptic inhibition และ postsynaptic inhibition สำหรับ presynaptic inhibition อาจ synapse ที่บริเวณ axon ของ presynaptic neuron ซึ่งสูงขึ้นไปกว่าบริเวณที่ presynaptic knop ก็ได้ ที่มา ; Ganong , 1991

Neuromuscular junction
คือโครงสร้างของการเชื่อมต่อ (synapse) ระหว่างเส้นประสาทกับกล้ามเนื้อ (neuro-muscular junction - NMJ) ( รูปที่ 6 )
พบว่า transmission ของ impulse ที่ NMJ จะคล้ายคลึงกับ synapse ของ nerve คือเมื่อ impulse มาถึง end-feet ก็จะมีผลให้ permeability ต่อ Ca++ เพิ่มขึ้น มี Ca++ มาที่บริเวณ end-fect มากขึ้น ทำให้เกิด exocytosis ของ vesicle ที่บรรจุ acetylcholine ทำให้เกิดการหลั่ง acetylcholine ออกไป (ปกติ 1 impulse จะมี acetycholine หลั่งออกไป 200-300 vesicle) acetylcholine จะไปเกาะกับ nicotinic receptor ของกล้ามเนื้อซึ่งมีอยู่หนาแน่นที่บริเวณ junctional fold ของ motor end plate การเกาะของ acetylcholine กับ receptor จะทำให้ Na+ และ K+ conductance เพิ่มขึ้น เกิด Na+ influx เข้า cell ทำให้เกิด depolarizing potential ที่เรียกว่า end-plate potential ซึ่งจะแพร่ไปตาม membrane ที่อยู่ถัดออกไป เมื่อถึง firing level ก็ทำให้เกิด action potential และแพร่ต่อไปทั้ง 2 ทิศทางของ end-plate ไปตาม muscle fiber

รูปที่ 6 แสดง neuromuscular junction ประกอบด้วยปลายประสาท motor nerve มา synapse กับ motor end-plate ของ skeletal muscle fiber ที่มา : Ganong, 1991
Nerve ending ที่ smooth muscle และ cardiac muscle

สำหรับการเชื่อมระหว่าง nerve กับ smooth muscle จะต่างจาก NMJ ของ skeletal muscle โดยปลายของ postganglionic neuron จะเปลี่ยนรูปเป็นลักษณะคล้ายสายสร้อยลูกปัด (varicosity) ภายในมี vesicle ซึ่งบรรจุ neurotransmitter สายของ varicosity จะทอดไปตาม membrane ของ smooth muscle แต่ละ varicosity จะปล่อย neurotransmitter ออกมา ( รูปที่ 7 ) การจัดเรียงตัวเช่นนี้ทำให้ neuron 1 ตัว สามารถไปควบคุม smooth muscle ได้หลาย cell เรียกการเรียงตัวแบบนี้ว่า synapse en passant
    สำหรับหัวใจ ทั้ง cholinergic และ adrenergic nerve fiber จะมาเชื่อมต่อกับหัวใจที่ sinoatrial node, atrioventricular node และ bundle of His พบว่าที่ ventricle การเชื่อมระหว่าง adrenergic fiber กับกล้ามเนื้อหัวใจมีลักษณะแบบที่พบใน smooth muscle (single unit smooth muscle) สำหรับลักษณะการเชื่อมกับ SA และ AV node ยังไม่ทราบ
    ใน smooth muscle พบว่า adrenergic fiber ทำให้เกิด partial depolarization ซึ่งเรียกว่า excitatory junction potential (EJP) ซึ่งสามารถเกิด temperal summation ได้ ในบาง tissue ที่มี cholinergic fiber มาเลี้ยงก็สามารถเกิด EJP ได้เช่นกัน แต่บาง tissue จะเกิด inhibition เมื่อกระตุ้น adrenergic nerve ทั้งนี้เพราะ ทำให้เกิด hyperpolarization โดยเกิด inhibitory junction potential (IJP) พบว่าเมื่อกระตุ้น nerve fiber จะมีการตอบสนองจาก smooth muscle หลาย cell แต่ค่า latent period แตกต่างกันไป ซึ่งสอดคล้องกับการเชื่อมต่อของ muscle cell กับ nerve แบบ synapse en passant ซึ่งอาจอธิบายได้ว่าเป็นผลของ

       - การแพร่ของ EJP ซึ่งผ่าน low-resistance junction ระหว่าง muscle cell
       - การแพร่ของ neurotransmitter ที่กระจัดกระจายไปในระหว่าง muscle cell หลาย cell

รูปที่ 7 แสดงปลายประสาทของ postgangliornic autonomic neuron ที่ synapse กับ smooth muscle ที่มา : Ganong , 1991