Hermoimpulssi: mitä se on, miten se syntyy ja toimii

Hermoimpulssi selitetty selkeästi: miten se syntyy, etenee ja vaikuttaa kehon toimintaan — ymmärrettävää tietoa hermoston toiminnasta.

Hermoimpulssi on sarja sähköisiä signaaleja, jotka syntyvät neuroneissa (hermosoluissa) vastauksena ärsykkeeseen.

Miten hermoimpulssi syntyy?

Hermoimpulsin synty perustuu solukalvon varaukseen eli lepojännitteeseen ja ionien liikkeeseen kalvon läpi. Neuronin sisäpuoli on lepovaiheessa yleensä negatiivisempi kuin ulkopuoli (yleensä noin −60 … −70 mV). Tätä lepojännitettä ylläpitävät mm. natrium-kaliumpumppu ja ionikanavat.

• Kynnys: Jos soluun tulee riittävä ärsyke, kalvon jännite nousee tietyn kynnyksen yli.
• Depolarisaatio: Kynnysarvon ylittyessä jänniteohjatut Na+-kanavat avautuvat ja Na+-ionit virtaavat nopeasti solun sisään, mikä tekee sisäpuolesta hetkellisesti positiivisemman.
• Repolarisaatio: Lyhyen ajan kuluttua Na+-kanavat inaktivoituvat ja K+-kanavat avautuvat; K+-ionit virtaavat ulos palauttaen negatiivisen jännitteen.
• Hyperpolarisaatio ja refraktaari: Usein jännite menee hetkellisesti lepovaihetta negatiivisemmaksi (hyperpolarisaatio). Tänä aikana solu on osittain tai kokonaan refraktaari eli ärsyttämätön tai vaikeasti ärsytettävä (absoluuttinen ja relatiivinen refraktaarihetki).

Kuinka impulssi etenee aksonia pitkin?

Kun yksi kohta aksonissa depolarisoituu, viereiset jänniteohjatut kanavat avautuvat peräkkäin, ja impulssi etenee eteenpäin. Joillain aksonityypeillä esiintyy:

• Saltatorinen (hyppivä) johtuminen: Myelinoituneissa aksonissa impulssi "hyppää" Ranvierin kuroumasta toiseen, mikä lisää johtumisnopeutta ja energiatehokkuutta.
• Kontinuoiva johtuminen: Myelinoimattomissa aksonissa impulssi etenee jatkuvasti pitkin kalvoa.

Impulssin nopeuteen vaikuttavat mm. myeliinin läsnäolo, aksonin läpimitta (paksummat aksonit johtavat nopeammin) ja lämpötila.

Synapsit ja viestinvälitys

Aksonin päässä hermoimpulssi laukaisee synapsissa välittäjäaineen vapautumisen (kemiallinen synapsi). Vapautuneet välittäjäaineet sitoutuvat vastaanottajasolun reseptoreihin ja muokkaavat sen kalvojännitettä. Tällöin seuraava neuroni voi saada:

• Eksitatorisen (kiihdyttävän) vaikutuksen, joka lisää taipumusta depolarisaatioon (esim. glutamaatti).
• Inhiboivan (estävän) vaikutuksen, joka tekee depolarisaation vaikeammaksi (esim. GABA).

Myös sähköisiä synapseja esiintyy, joissa ionit kulkevat suoraan solujen välillä gap-junktioiden kautta — nämä mahdollistavat erittäin nopean yhteyden.

Miksi hermoimpulsseilla on merkitystä?

Hermoimpulssit ovat aivojen, selkäytimen ja ääreishermoston peruskommunikaation väline. Niiden avulla muodostuvat mm.:

• aistitiedon kulku ja havainto
• lihasten supistuminen ja liikkeiden ohjaus
• refleksit ja sosiaalinen/älyllinen toiminta

Mittaus ja kliininen merkitys

Hermoimpulsseja voi mitata eri tavoin: yksittäisiä toimintapotentiaaleja rekisteröidään elektrodeilla (esim. patch-clamp), lihasten sähköistä toimintaa tutkitaan EMG:llä ja suurten neuronipopulaatioiden toimintaa EEG:llä.

Kliinisesti hermoimpulsseihin liittyy useita tärkeitä ilmiöitä ja sairauksia:

• Paikallispuudutteet estävät jänniteohjattuja Na+-kanavia, jolloin impulssien kulku estyy ja kipu tai tunto katoaa.
• Demyelinoivat sairaudet kuten multippeliskleroosi hidastavat tai katkaisevat saltatorista johtumista, mikä heikentää hermojen toimintaa.
• Myrkyt kuten tetrodotoksiini (tietyissä tilanteissa) estävät Na+-kanavia ja pysäyttävät impulssit.

Tärkeitä käsitteitä lyhyesti

• Lepojännite — solun kalvojännitteen ero lepotilassa.
• Kynnys — jännitearvo, jonka yli mentäessä toimintapotentiaali laukeaa.
• Toimintapotentiaali (action potential) — nopeasti etenevä depolarisaation ja repolarisaation sarja.
• Refraktaari — hetki, jolloin solu ei pysty tai on vaikea laukaista uutta impulssia.

Ymmärtämällä hermoimpulssien synnyn ja etenemisen perusteet saa hyvän kuvan siitä, miten hermosto koodaa ja välittää tietoa nopeasti ja luotettavasti koko elimistöön.

Johtumismekanismi

Polarisaatio

Kun neuroni ei johda tai on lepotilassa, aksonikalvo on läpäisevämpi K⁺ -ioneille ja läpäisemätön Na⁺ -ioneille. natrium-kaliumpumppu pumppaa aktiivisesti 3Na⁺ -ioneja solunulkoiseen nesteeseen ja ottaa 2K⁺ -ioneja soluun. Varausten epätasapainon vuoksi aksonikalvon yli syntyy potentiaaliero, jota kutsutaan myös lepopotentiaaliksi (-70mV). Kalvon ulkopuoli on positiivisesti varautunut ja sisäpuoli negatiivisesti varautunut.

Depolarisaatio

Kun kalvoon kohdistetaan ärsyke (kemiallinen, mekaaninen tai sähköinen), natrium-kaliumpumppu lakkaa toimimasta. Na⁺ -ionit ryntäävät solun sisään, minkä jälkeen aksonikalvon napaisuus kääntyy. Sitä kutsutaan myös hermosäikeen depolarisaatioksi. Sähköistä potentiaalieroa ärsykkeen kohdalla kutsutaan toimintapotentiaaliksi (+40mV).

Repolarisaatio

Tämän seurauksena virta kulkee hermosäikeen depolarisoituneesta osasta hermosäikeen polarisoituneeseen osaan aksoplasmassa, kun taas solun pinnalla virta kulkee vastakkaiseen suuntaan. Näin hermosäikeessä syntyy uusi toimintapotentiaali. Aksonikalvon uudelleen polarisoitumiseen kuluvaa aikaa kutsutaan tulenkestoajaksi (1 ms). Refraktorijakson jälkeen natrium-kaliumpumppu toimii jälleen ja kalvo palaa taas lepotilaan.

 
 

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on hermoimpulssi?

K: Millaiset solut tuottavat hermoimpulsseja?

K: Miten hermoimpulssit reagoivat ärsykkeisiin?

K: Minkä tyyppistä signaalia hermoimpulssi tuottaa?

K: Minne sähköinen signaali kulkee hermoimpulssin aikana?

K: Onko neuroneille olemassa jokin muu nimi?

Hae kirjaimella