Dẫn truyền xung thần kinh là một quá trình phức tạp, bao gồm cả các yếu tố hóa học và điện. Các chất dẫn truyền thần kinh đóng vai trò then chốt trong việc truyền tín hiệu giữa các tế bào thần kinh. Thông thường, các neuron không tiếp xúc trực tiếp mà giao tiếp thông qua việc giải phóng và tiếp nhận các chất dẫn truyền thần kinh tại các synapse.
Thân tế bào thần kinh sản xuất các enzyme cần thiết cho việc tổng hợp các chất dẫn truyền thần kinh, được lưu trữ trong các túi ở cúc tận cùng thần kinh. Khi điện thế hoạt động đến cuối dây thần kinh, nó kích hoạt các kênh canxi, cho phép Ca2+ xâm nhập và gây ra sự hợp nhất của các túi chứa chất dẫn truyền thần kinh với màng tế bào, giải phóng các chất này vào khe synapse thông qua quá trình xuất bào.
Synapse có thể là điện hoặc hóa học. Synapse điện cho phép dẫn truyền trực tiếp và nhanh chóng thông qua các kênh ion kết nối bào tương của các tế bào thần kinh.
Tín Hiệu Kích Thích và Ức Chế
Các chất dẫn truyền thần kinh có thể gây ra các phản ứng kích thích hoặc ức chế trên tế bào thần kinh sau synapse. Tế bào thần kinh sau synapse nhận nhiều tín hiệu từ các neuron khác nhau và tổng hợp chúng. Nếu tín hiệu kích thích chiếm ưu thế, neuron sẽ kích hoạt và truyền tín hiệu tiếp. Ngược lại, nếu tín hiệu ức chế mạnh hơn, neuron sẽ không kích hoạt. Quá trình tổng hợp này được gọi là tổng kết. Do đó, chất dẫn truyền thần kinh đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh quá trình dẫn truyền xung thần kinh.
Có hai dạng tổng hợp tín hiệu chính:
- Tổng hợp không gian: Tín hiệu được nhận đồng thời tại nhiều vị trí khác nhau trên neuron và sau đó được tổng hợp.
- Tổng hợp thời gian: Tín hiệu được nhận trong một khoảng thời gian ngắn và được cộng dồn.
Để một neuron phát tín hiệu, nó phải đạt đến ngưỡng điện thế. Ngưỡng này đạt được khi có sự gia tăng ròng dòng natri vào trong tế bào. Khi ngưỡng đạt được, điện thế hoạt động sẽ được kích hoạt và lan truyền dọc theo màng tế bào thần kinh.
Vậy, tại sao trên sợi trục không có bao myelin xung thần kinh lan truyền liên tục từ vùng này sang vùng khác?
Câu trả lời nằm ở chính cấu trúc của sợi trục có bao myelin và cách thức dẫn truyền xung thần kinh diễn ra. Sợi trục có bao myelin được bao bọc bởi các tế bào Schwann (ở hệ thần kinh ngoại biên) hoặc tế bào oligodendrocyte (ở hệ thần kinh trung ương), tạo thành lớp cách điện gọi là bao myelin. Bao myelin không liên tục mà bị gián đoạn bởi các khe Ranvier.
Trong sợi trục có bao myelin, điện thế hoạt động không lan truyền liên tục mà “nhảy” từ khe Ranvier này sang khe Ranvier khác. Quá trình này được gọi là dẫn truyền “nhảy cóc” (saltatory conduction). Tại các khe Ranvier, mật độ kênh ion natri (Na+) rất cao, cho phép tạo ra điện thế hoạt động mới. Bao myelin đóng vai trò cách điện, ngăn chặn sự rò rỉ ion và tăng tốc độ dẫn truyền xung thần kinh.
Ưu điểm của dẫn truyền “nhảy cóc” so với dẫn truyền liên tục (ở sợi trục không có bao myelin):
- Tốc độ dẫn truyền nhanh hơn: Do xung thần kinh chỉ cần được tái tạo tại các khe Ranvier, thay vì dọc theo toàn bộ sợi trục.
- Tiết kiệm năng lượng: Do ít ion cần được bơm qua màng tế bào hơn.
Tóm lại, trên sợi trục không có bao myelin, xung thần kinh lan truyền liên tục từ vùng này sang vùng khác do không có lớp cách điện (bao myelin) và các khe Ranvier để cho phép dẫn truyền “nhảy cóc” diễn ra. Thay vào đó, sự khử cực và tái cực diễn ra liên tục dọc theo màng tế bào, làm cho quá trình dẫn truyền chậm hơn và tốn năng lượng hơn.
Số lượng chất dẫn truyền thần kinh tại các đầu mút thần kinh thường được duy trì ổn định thông qua việc điều chỉnh sự hấp thu tiền chất hoặc hoạt động của các enzyme liên quan đến quá trình tổng hợp và phân hủy chúng. Kích thích các thụ thể trước synapse có thể làm giảm tổng hợp chất dẫn truyền thần kinh, trong khi ức chế có thể làm tăng tổng hợp.
Tương tác giữa chất dẫn truyền thần kinh và thụ thể phải được chấm dứt nhanh chóng để đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thần kinh. Điều này có thể xảy ra thông qua:
- Tái hấp thu vào đầu dây thần kinh trước synapse.
- Phân hủy bởi các enzyme gần thụ thể.
- Khuếch tán vào khu vực xung quanh và bị loại bỏ.
Rối loạn chức năng của các quá trình này có thể dẫn đến các bệnh lý thần kinh. Ví dụ, bệnh Alzheimer liên quan đến sự thiếu hụt acetylcholine, ảnh hưởng đến khả năng hình thành ký ức mới.
Một số neuron có thể giải phóng nhiều chất dẫn truyền thần kinh khác nhau (dẫn truyền thần kinh). Điều này cho phép giao tiếp phức tạp giữa các neuron và kiểm soát nhiều chức năng khác nhau trong hệ thần kinh trung ương và hệ thần kinh ngoại biên. Các chất dẫn truyền thần kinh cũng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các thay đổi lâu dài trong hệ thần kinh, bao gồm cả thay đổi hoạt động của gen và protein.
