ความต้านทานตามแนวแกนและคุณสมบัติเคเบิลแบบพาสซีฟของแอกซอน

ก่อนที่ช่องสัญญาณที่ขึ้นกับแรงดันไฟฟ้าจะเปิดออก แอกซอนจะทำหน้าที่เหมือนสายเคเบิลไฟฟ้าที่มีการรั่วไหล ทฤษฎีเคเบิลถือว่าแอกซอนเป็นตัวนำแกนกลาง ซึ่งความต้านทานภายใน (ตามแนวแกน หรือตามยาว) ความต้านทานของเยื่อหุ้มเซลล์ และความจุของเยื่อหุ้มเซลล์ จะร่วมกันกำหนดว่าศักย์ไฟฟ้าเฉพาะที่แพร่กระจายและลดลงตามความยาวได้อย่างไร คุณสมบัติแบบพาสซีฟเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำหรับการเกิดศักยะกิจกรรม และควบคุมว่าสัญญาณที่ต่ำกว่าเกณฑ์จะเดินทางไปได้ไกลและเร็วเพียงใด

Definition

คุณสมบัติเคเบิลแบบพาสซีฟอธิบายแอกซอนว่าเป็นตัวนำแกนกลาง ซึ่งความต้านทานตามแนวแกน (ตามยาวภายในเซลล์) ความต้านทานของเยื่อหุ้มเซลล์ และความจุของเยื่อหุ้มเซลล์ กำหนดการแพร่กระจายแบบอิเล็กโทรโทนิกของศักย์ไฟฟ้า; ค่าคงที่ความยาวกำหนดระยะทางที่ศักย์ไฟฟ้าคงที่ลดลง และค่าคงที่เวลากำหนดว่าศักย์ไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ตอบสนองต่อกระแสไฟฟ้าได้เร็วเพียงใด

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมคุณสมบัติทางไฟฟ้าแบบพาสซีฟของแอกซอน: ความต้านทานตามแนวแกน, ความต้านทานและความจุของเยื่อหุ้มเซลล์, ค่าคงที่ความยาว และค่าคงที่เวลา และวิธีที่สิ่งเหล่านี้ควบคุมการแพร่กระจายแบบอิเล็กโทรโทนิกและมีอิทธิพลต่อการนำกระแสประสาท หัวข้อนี้ถือว่าแอกซอนเป็นตัวนำแกนกลาง และเป็นสรีรวิทยาอ้างอิง ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Core questions

• การถือว่าแอกซอนเป็นสายเคเบิลไฟฟ้าหมายความว่าอย่างไร?
• ความต้านทานตามแนวแกน ความต้านทานของเยื่อหุ้มเซลล์ และความจุของเยื่อหุ้มเซลล์ กำหนดค่าคงที่ความยาวและค่าคงที่เวลาได้อย่างไร?
• คุณสมบัติเคเบิลแบบพาสซีฟมีอิทธิพลต่อความเร็วของการนำกระแสประสาทอย่างไร?
• เหตุใดเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยที่ใหญ่ขึ้นจึงลดความต้านทานตามแนวแกนและเพิ่มความเร็วในการนำกระแสประสาท?

Key concepts

• ความต้านทานตามแนวแกน (ตามยาว)
• ความต้านทานของเยื่อหุ้มเซลล์
• ความจุของเยื่อหุ้มเซลล์
• ค่าคงที่ความยาว (แลมบ์ดา)
• ค่าคงที่เวลา (เทา)
• การแพร่กระจายแบบอิเล็กโทรโทนิก (พาสซีฟ)
• แบบจำลองตัวนำแกนกลาง

Key theories

ทฤษฎีเคเบิล (ตัวนำแกนกลาง)

การพิจารณาแอกซอนเป็นตัวนำทรงกระบอกที่มีความต้านทานตามแนวแกน ความต้านทานของเยื่อหุ้มเซลล์ และความจุของเยื่อหุ้มเซลล์ที่กระจายอยู่ ซึ่งได้มาจากค่าคงที่ความยาว ค่าคงที่เวลา และการพึ่งพาการนำกระแสประสาทกับเรขาคณิต

Mechanisms

กระแสไฟฟ้าที่ฉีดเข้าไป ณ จุดหนึ่งของแอกซอนจะแบ่งออกเป็นการไหลตามยาวผ่านไซโตพลาสซึม ต้านทานความต้านทานตามแนวแกน และการรั่วไหลออกไปภายนอกผ่านความต้านทานของเยื่อหุ้มเซลล์ในขณะที่ประจุความจุของเยื่อหุ้มเซลล์ ความสมดุลของความต้านทานตามแนวแกนและความต้านทานของเยื่อหุ้มเซลล์กำหนดค่าคงที่ความยาว ซึ่งเป็นระยะทางที่ศักย์ไฟฟ้าสภาวะคงที่ลดลงเหลือประมาณ 37 เปอร์เซ็นต์ของค่าเริ่มต้น; ความต้านทานตามแนวแกนต่ำหรือความต้านทานของเยื่อหุ้มเซลล์สูงจะให้ค่าคงที่ความยาวที่ยาวขึ้นและการแพร่กระจายที่ไกลขึ้น ผลคูณของความต้านทานของเยื่อหุ้มเซลล์และความจุของเยื่อหุ้มเซลล์กำหนดค่าคงที่เวลา ซึ่งกำหนดว่าศักย์ไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์เปลี่ยนแปลงเร็วเพียงใดเพื่อตอบสนองต่อกระแสไฟฟ้า เนื่องจากความต้านทานตามแนวแกนลดลงเมื่อพื้นที่หน้าตัดของเส้นใยเพิ่มขึ้น แอกซอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าจึงมีค่าคงที่ความยาวที่ยาวกว่าและการแพร่กระจายแบบพาสซีฟที่เร็วกว่า ซึ่งเมื่อรวมกับกระแสไฟฟ้าแอคทีฟที่อธิบายโดย Hodgkin และ Huxley ทำให้พวกมันนำศักยะกิจกรรมได้เร็วขึ้น ดังนั้น ทฤษฎีเคเบิลจึงเชื่อมโยงเรขาคณิตของแอกซอนและคุณสมบัติของเยื่อหุ้มเซลล์เข้ากับการส่งสัญญาณที่ต่ำกว่าเกณฑ์และความเร็วในการนำกระแสประสาท

Clinical relevance

คุณสมบัติของเคเบิลอธิบายว่าเหตุใดเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยและฉนวนของเยื่อหุ้มเซลล์จึงส่งผลต่อความเร็วในการนำกระแสประสาท และเหตุใดการแพร่กระจายของสัญญาณแบบพาสซีฟจึงถูกจำกัดในระยะทาง บทความนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงพรรณนาเกี่ยวกับชีวฟิสิกส์ปกติ และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจทางคลินิกส่วนบุคคล

Evidence & guidelines

กรอบแนวคิดนี้มาจากวิเคราะห์ตัวนำแกนกลาง (เคเบิล) ของเส้นใยประสาท และจากการวัดทางชีวฟิสิกส์ที่เป็นพื้นฐานของแบบจำลอง Hodgkin-Huxley ซึ่งเป็นการวิเคราะห์เชิงกลไกและเชิงทฤษฎีมากกว่าแนวทางทางคลินิก

History

การวิเคราะห์เคเบิลของเส้นใยชีวภาพมีรากฐานมาจากทฤษฎีเคเบิลโทรเลขในศตวรรษที่ 19 ซึ่งถูกนำมาปรับใช้กับเส้นประสาทในศตวรรษที่ 20 การศึกษาของ Rushton ในปี 1951 เกี่ยวกับเส้นประสาทที่มีปลอกไมอีลินได้กำหนดอย่างเป็นทางการว่าขนาดของเส้นใยมีผลต่อการนำกระแสประสาทอย่างไร และ Rall ได้ขยายทฤษฎีตัวนำแกนกลางไปยังเรขาคณิตการแตกแขนงของเซลล์ประสาทในภายหลัง ทำให้ทฤษฎีเคเบิลเป็นรากฐานสำหรับการทำความเข้าใจทั้งการรวมสัญญาณแบบพาสซีฟและการแพร่กระจายของกระแสประสาท

Key figures

• William Rushton
• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Wilfrid Rall

Seminal works

• rushton-1951
• hodgkin-huxley-1952

Frequently asked questions

ค่าคงที่ความยาวของแอกซอนคืออะไร?

เป็นระยะทางที่ศักย์ไฟฟ้าที่แพร่กระจายอย่างต่อเนื่องแบบพาสซีฟลดลงเหลือประมาณ 37 เปอร์เซ็นต์ของขนาดเดิม; มันจะเพิ่มขึ้นเมื่อความต้านทานตามแนวแกนต่ำหรือความต้านทานของเยื่อหุ้มเซลล์สูง ทำให้สัญญาณแพร่กระจายไปได้ไกลขึ้น

เหตุใดแอกซอนที่หนากว่าจึงนำกระแสประสาทได้เร็วกว่า?

พื้นที่หน้าตัดที่ใหญ่ขึ้นจะลดความต้านทานตามแนวแกนภายใน ทำให้ค่าคงที่ความยาวเพิ่มขึ้น เพื่อให้การลดขั้วแพร่กระจายไปได้ไกลและเร็วขึ้น เพื่อนำเยื่อหุ้มเซลล์บริเวณถัดไปไปสู่ระดับเกณฑ์