Умблик
9 класс · углублённый
Биология · 9 класс · углублённый уровень
Биология · углублённый уровень · 9 класс · Урок 51

Нейрон: мембранный потенциал, импульс, синапс и рефлекторные сети

Разберём нервный сигнал по этапам — ионы, мембрана, аксон, синапс, следующая клетка — без образа электричества, которое беспрепятственно «перескакивает» между нейронами.

Нервная система

Федеральная программа · углублённый уровень · 9 класс

Нервная система

Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:

  • Потенциал покоя и действия
  • Возбудимость и проведение импульса
  • Миелин и скорость проведения
  • Химические и электрические синапсы
  • Нейромедиаторы и рецепторы
  • Рефлекторная дуга, рефлекторное кольцо и обратная связь
  • Моно- и полисинаптические рефлексы
  • Врождённые и приобретённые компоненты
  • Функциональные системы П.К. Анохина
  • Нейронные сети и ограниченная аналогия с ИИ
Рефлекс: сигнал проходит по нервной цепиРецепторЧувствит.ЦентрДвигат.Мышцастимулспинной мозгответУпрощение: часть дуг включает вставочные нейроны, а головной мозг может изменять ответ.
Рефлекторная схема показывает направление передачи сигналов, но реальная нервная сеть включает множество параллельных и обратных связей.

Как это устроено

Ионные насосы и каналы поддерживают разницу концентраций по обе стороны мембраны; при достижении порога открытие зависимых от напряжения каналов запускает потенциал действия. Импульс распространяется по аксону как последовательное изменение соседних участков мембраны, а не как движение одной заряженной частицы от мозга до пальца. Миелин меняет проводимость, а узлы Ранвье поддерживают быстрое проведение; повреждения системы могут нарушать сигнал по разным механизмам.

В химическом синапсе импульс достигает окончания, выделяется медиатор, он пересекает узкую щель и связывается с рецепторами следующей клетки. Эффект может быть возбуждающим, тормозным или модулирующим в зависимости от рецептора и состояния сети. В электрическом синапсе клетки соединены каналами для прямого прохождения электрического сигнала. Поэтому нельзя учить, что каждый синапс «работает только химически» или что медиатор всегда возбуждает.

Рефлекторная дуга помогает увидеть последовательность «рецептор → чувствительный путь → центральные звенья → двигательный путь → исполнитель». Если добавить восприятие результата действия и его обратное влияние на регуляцию, получается учебная схема рефлекторного кольца. При поднятии чашки мышцы создают движение, рецепторы сообщают о положении и усилии, а следующие команды могут измениться. Работы И.П. Павлова объясняли формирование условных рефлексов; концепция функциональных систем П.К. Анохина подчёркивала ожидаемый результат и сопоставление с реальным. Это полезные модели, но не описание одной жёсткой цепи для всего поведения: в действительности действуют параллельные сети, торможение и множество сигналов.

Искусственная нейронная сеть названа по аналогии с некоторыми идеями обработки сигналов, но математический узел не является живым нейроном с мембраной, медиаторами, кровоснабжением и развитием. Аналогия помогает обсудить связи и обучение модели, но не доказывает, что ИИ мыслит биологическим способом. Для объяснения симптомов нервной системы школьной схемы недостаточно; медицинская оценка требует специалиста и соответствующих методов.

Словарь урока

Каждое понятие — с примером

Мембранный потенциал

Разность электрических потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны клетки, возникающая из ионных градиентов и избирательной проницаемости.

Пример: У нейрона в покое внутренняя сторона мембраны обычно отрицательнее наружной в принятой системе измерения.

Потенциал покоя

Относительно устойчивое состояние мембранного потенциала возбудимой клетки до распространяющегося потенциала действия.

Пример: Ионные каналы и насосы поддерживают градиенты даже когда нейрон не передаёт импульс по аксону.

Порог возбуждения

Условие изменения мембранного потенциала, при достижении которого в конкретном участке клетки запускается регенеративный потенциал действия.

Пример: Слабый стимул может вызвать местный ответ, но не распространяющийся импульс.

Потенциал действия

Кратковременное самораспространяющееся изменение мембранного потенциала возбудимой клетки, связанное с последовательным открытием и закрытием ионных каналов.

Пример: При достаточном раздражении импульс распространяется вдоль аксона сенсорного нейрона.

Аксон

Отросток нейрона, по которому обычно распространяется сигнал от тела клетки к нервным окончаниям, хотя организация нейронов бывает разнообразной.

Пример: Аксон мотонейрона передаёт сигнал к скелетной мышце.

Миелин

Богатая липидами оболочка участков некоторых аксонов, образуемая глиальными клетками и изменяющая электрические свойства проведения.

Пример: При миелинизации импульс может быстро распространяться между узлами Ранвье.

Узел Ранвье

Короткий участок аксона между миелиновыми сегментами с высокой плотностью некоторых ионных каналов.

Пример: Изменения потенциала поддерживаются в узлах на пути по миелинизированному волокну.

Химический синапс

Место передачи сигнала с выделением нейромедиатора пресинаптической клеткой и действием молекулы на рецепторы постсинаптической клетки.

Пример: Мотонейрон выделяет ацетилхолин в нервно-мышечном контакте.

Электрический синапс

Контакт с прямым электрическим сообщением между клетками через специальные межклеточные каналы в соответствующих тканях.

Пример: Некоторые нейронные сети используют электрические контакты для быстрой согласованной активности.

Нейромедиатор

Молекула, выделяемая нервным окончанием и изменяющая активность клетки-мишени через рецептор.

Пример: Один и тот же медиатор может иметь разные эффекты в разных клетках из-за разных рецепторов.

Рефлекторная дуга

Упрощённый путь от рецептора через нервные звенья к исполнительному органу при рефлекторном ответе.

Пример: Схема коленного рефлекса включает чувствительные и двигательные звенья.

Рефлекторная обратная связь

Дополнительная передача сведений о результате действия назад к регулирующим звеньям, делающая реальную систему более сложной, чем однонаправленная дуга.

Пример: Сигналы от мышечных рецепторов помогают нервной системе корректировать движение.

Моносинаптический рефлекс

Рефлекс, чья основная центральная цепь включает один синапс между чувствительным и двигательным нейронами, хотя сопутствующие цепи могут быть сложнее.

Пример: Учебная схема сухожильного рефлекса показывает прямую связь сенсорного и моторного нейронов.

Полисинаптический рефлекс

Рефлекс с несколькими синаптическими переключениями в рассматриваемой центральной цепи и участием вставочных нейронов.

Пример: Реакция отдёргивания руки от болезненного стимула включает сложные сети и несколько мышечных групп.

Рефлекторное кольцо

Учебная модель рефлекторной регуляции, в которой после действия рецепторы сообщают нервной системе о результате, замыкая путь обратной связи; не отдельный анатомический орган.

Пример: При удержании чашки сигналы от мышц и кожи помогают корректировать усилие пальцев после начала движения.

Функциональная система П.К. Анохина

Историческая физиологическая концепция объединения разных нервных и телесных звеньев ради полезного результата с оценкой его достижения по обратной информации.

Пример: При взятии предмета система сравнивает ожидаемое положение кисти с поступающими ощущениями и позволяет скорректировать движение.

Нейронная сеть организма

Множество взаимосвязанных нервных клеток и их контактов, в которой обработка сигнала зависит от путей, синапсов и текущего состояния; не тождественна математической модели ИИ.

Пример: Движение руки регулируется совместной работой чувствительных, вставочных и двигательных нейронов.

Пример по шагам

Сигнал пришёл по аксону к нервно-мышечному контакту. Что происходит дальше и почему это не «прыжок электричества»?

  1. Приход потенциала действия меняет состояние окончания и запускает выделение медиатора.
  2. Медиатор связывается с рецепторами мышечной клетки, изменяя её мембранное состояние.
  3. Если условия достаточны, в мышечной клетке возникает собственный электрический ответ, после которого запускается сокращение.

Вывод: Химический посредник соединяет два электрически активных участка в этом типе синапса.

Практическая работа

Модель сигнала на карточках

  1. На карточках покажите мембрану, ионные градиенты, аксон с миелином и узлами, окончание, медиатор, рецептор и мышцу.
  2. Пройдите путь сигнала и для каждого перехода назовите физический или химический механизм без фразы «электричество перескочило».
  3. Сравните моносинаптическую учебную схему с полисинаптической, добавив обратную связь.

Что можно заключить: Разделение этапов помогает увидеть границы полезной схемы рефлекторной дуги.

Безопасность: Не проводите болезненные или электрические эксперименты на себе и других; используйте бумажную модель и опубликованные записи.

Попробуйте сами

Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.

Открываем задания…

Сверка содержания

Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.