तंत्रिका-शारीरिक क्रिया विज्ञान और संवेदी प्रणालियाँ

पशु जगत में तंत्रिका तंत्र विद्युत संकेतों को कैसे उत्पन्न और प्रसारित करते हैं, उन्हें कोशिकाओं के बीच कैसे भेजते हैं, और दुनिया की भौतिक और रासायनिक विशेषताओं को उन तंत्रिका संदेशों में कैसे परिवर्तित करते हैं जिन पर एक पशु कार्य कर सकता है।

Definition

तुलनात्मक तंत्रिका-शारीरिक क्रिया विज्ञान इस बात का अध्ययन है कि जानवरों की उत्तेजक कोशिकाएँ — न्यूरॉन्स और संवेदी रिसेप्टर्स — विद्युत और रासायनिक संकेतों को कैसे उत्पन्न, संचालित और संसाधित करती हैं, जिनका अध्ययन विभिन्न टैक्सों में साझा जैव-भौतिक तंत्रों और वंशावली-विशिष्ट अनुकूलन दोनों को प्रकट करने के लिए किया जाता है।

Scope

यह क्षेत्र उत्तेजक कोशिकाओं और संवेदी प्रणालियों के तुलनात्मक शरीर क्रिया विज्ञान को शामिल करता है: विश्राम और क्रिया विभव का आयनिक आधार, तंत्रिका आवेगों का प्रसार, रासायनिक और विद्युत सिनैप्टिक संचरण, और विशेष रिसेप्टर्स द्वारा प्रकाश, ध्वनि, यांत्रिक, रासायनिक और विद्युत उत्तेजनाओं का प्रतिरूपण (transduction)। यह तंत्रिका कोशिकाओं के लिए सामान्य संरक्षित जैव-भौतिक सिद्धांतों और संवेदी अनुकूलन की उल्लेखनीय विविधता दोनों का वर्णन करता है — स्क्विड के विशाल अक्षतंतु से लेकर मछली में इलेक्ट्रोरेसेप्शन और चमगादड़ में इकोलोकेशन तक — और तंत्रिका तंत्र उस जानकारी को कैसे एन्कोड और एकीकृत करते हैं। कवरेज नैदानिक ​​के बजाय तुलनात्मक और यांत्रिक है।

Sub-topics

• झिल्ली विभव और क्रिया विभव
• तंत्रिका कूटन और एकीकरण
• संवेदी पारगमन और ग्राही
• सिनैप्टिक ट्रांसमिशन (तुलनात्मक)

Core questions

• न्यूरॉन्स अपनी झिल्ली में एक विश्राम वोल्टेज कैसे स्थापित करते हैं और क्रिया विभव को उत्पन्न करने के लिए आयन गतिविधियों का उपयोग कैसे करते हैं?
• एक तंत्रिका आवेग अक्षतंतु के साथ कैसे संचालित होता है, और कौन सी विशेषताएँ चालन को तेज या धीमा बनाती हैं?
• रासायनिक और विद्युत सिनैप्स पर एक न्यूरॉन से दूसरे में संकेत कैसे गुजरते हैं?
• संवेदी रिसेप्टर्स प्रकाश, ध्वनि, रसायन और यांत्रिक बल को तंत्रिका संकेतों में कैसे परिवर्तित करते हैं, और प्रजातियों के बीच संवेदी प्रणालियाँ इतनी भिन्न क्यों होती हैं?

Key theories

क्रिया विभव का आयनिक (हॉजकिन-हक्सले) सिद्धांत

क्रिया विभव सोडियम और पोटेशियम आयनों के लिए झिल्ली पारगम्यता में वोल्टेज-निर्भर परिवर्तनों से उत्पन्न होता है, जिसे हॉजकिन और हक्सले ने स्क्विड विशाल अक्षतंतु के वोल्टेज-क्लैंप रिकॉर्डिंग के साथ मापा और चालकता समीकरणों के एक सेट के साथ मात्रात्मक रूप से वर्णित किया।

एक इलेक्ट्रोडिफ्यूसिव संतुलन के रूप में झिल्ली विभव

उत्तेजक कोशिकाओं के विश्राम और उत्क्रमण विभव झिल्ली में आयनों के वितरण और चयनात्मक पारगम्यता को दर्शाते हैं, जिसे संयुक्त प्रसार और विद्युत बलों के तहत आयन प्रवाह के स्थिर-क्षेत्र (गोल्डमैन-हॉजकिन-काट्ज़) उपचार द्वारा कैप्चर किया गया है।

Mechanisms

उत्तेजक कोशिकाएँ आयन प्रवणता (Na+/K+-ATPase द्वारा निर्मित) और चयनात्मक K+ पारगम्यता द्वारा निर्धारित एक नकारात्मक विश्राम विभव बनाए रखती हैं। थ्रेशोल्ड से अधिक विध्रुवण (depolarisation) वोल्टेज-गेटेड Na+ चैनलों को खोलता है, जिससे क्रिया विभव के बढ़ते चरण को बढ़ावा मिलता है; उनकी निष्क्रियता और K+ चैनलों का विलंबित खुलना झिल्ली को पुनः ध्रुवीकृत करता है। आवेग स्थानीय परिपथ धाराओं द्वारा फैलता है, जो रैनवियर के नोड्स (nodes of Ranvier) के बीच साल्टेटरी कंडक्शन (saltatory conduction) द्वारा मायेलिनयुक्त अक्षतंतुओं में त्वरित होता है। रासायनिक सिनैप्स (synapses) पर, प्रीसिनैप्टिक विध्रुवण Ca2+ अंतर्वाह और न्यूरोट्रांसमीटर रिलीज को ट्रिगर करता है, जिससे पोस्टसिनैप्टिक चालकता बदल जाती है; विद्युत सिनैप्स गैप जंक्शनों (gap junctions) के माध्यम से कोशिकाओं को सीधे जोड़ते हैं। संवेदी रिसेप्टर्स विभिन्न तंत्रों के माध्यम से उत्तेजनाओं को रिसेप्टर विभव में परिवर्तित करते हैं — फोटोरिसेप्टर में फोटोट्रांसडक्शन कैस्केड (phototransduction cascades), हेयर कोशिकाओं और स्पर्श रिसेप्टर्स में यांत्रिक रूप से गेटेड चैनल, और गंधक और स्वादक (odorants and tastants) का जी-प्रोटीन-युग्मित पता लगाना।

Clinical relevance

स्क्विड विशाल अक्षतंतु जैसे पशु मॉडल में विकसित जैव-भौतिकी उत्तेजक ऊतक और एनेस्थेटिक्स, विषाक्त पदार्थों और चैनल-लक्ष्यीकरण दवाओं की क्रिया की आधुनिक समझ को रेखांकित करती है; संवेदी शरीर क्रिया विज्ञान कॉक्लियर और रेटिनल प्रोस्थेसिस (cochlear and retinal prostheses) के डिजाइन और संवेदी पारिस्थितिकी के अध्ययन को सूचित करता है। यह प्रविष्टि शैक्षिक है और चिकित्सा मार्गदर्शन के बजाय तुलनात्मक-शरीर क्रिया विज्ञान संदर्भ प्रदान करती है।

History

तुलनात्मक तंत्रिका-शारीरिक क्रिया विज्ञान स्क्विड विशाल अक्षतंतु द्वारा परिवर्तित किया गया था, जिसके बड़े आकार ने हॉजकिन और हक्सले को अंतःकोशिकीय रूप से रिकॉर्ड करने (1939) और फिर, वोल्टेज-क्लैंप प्रयोगों के साथ, क्रिया विभव के आयनिक सिद्धांत (1952) को तैयार करने की अनुमति दी। गोल्डमैन का स्थिर-क्षेत्र समीकरण (1943) और सिनैप्टिक संचरण पर काट्ज़ का काम मात्रात्मक ढाँचा बनाता है, जबकि संवेदी शरीर क्रिया विज्ञान कॉक्लियर यांत्रिकी, दृष्टि और इलेक्ट्रोरेसेप्शन और इकोलोकेशन जैसी विदेशी इंद्रियों के अध्ययन के माध्यम से उन्नत हुआ।

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Bernard Katz
• David Goldman
• Georg von Békésy

Seminal works

• hodgkinhuxley1952
• hodgkinhuxley1939
• hill2016

Frequently asked questions

तंत्रिका-शारीरिक क्रिया विज्ञान में स्क्विड विशाल अक्षतंतु इतना महत्वपूर्ण क्यों है?

इसके असामान्य रूप से बड़े व्यास ने शुरुआती इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिस्ट को एक एकल तंत्रिका फाइबर के अंदर इलेक्ट्रोड डालने और क्रिया विभव को रेखांकित करने वाली आयनिक धाराओं को मापने की अनुमति दी, एक ऐसा काम जिसने जानवरों में न्यूरॉन्स के लिए सामान्य सिद्धांतों को स्थापित किया।

तंत्रिका-शारीरिक क्रिया विज्ञान में 'तुलनात्मक' क्या जोड़ता है?

प्रजातियों में तंत्रिका तंत्र की तुलना करने से पता चलता है कि कौन से तंत्र सार्वभौमिक हैं — जैसे तंत्रिका आवेग का आयनिक आधार — और कौन से विशेष अनुकूलन हैं, जैसे कि किसी विशेष जीवन शैली के अनुरूप इलेक्ट्रोरेसेप्शन या इकोलोकेशन।