ศักย์ประสาทไซแนปส์ชนิดกระตุ้นและยับยั้งและการประมวลผล

เซลล์ประสาทไม่ค่อยมีการส่งสัญญาณจากการรับข้อมูลเพียงครั้งเดียว แต่จะประมวลผลสัญญาณไซแนปส์จำนวนมากอย่างต่อเนื่อง ข้อมูลนำเข้าที่กระตุ้นจะทำให้เยื่อหุ้มเซลล์มีศักย์ไฟฟ้าลดลงเข้าใกล้ระดับขีดเริ่มเปลี่ยน (threshold) ทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าหลังไซแนปส์ชนิดกระตุ้น (excitatory postsynaptic potentials, EPSPs) ในขณะที่ข้อมูลนำเข้าที่ยับยั้งจะทำให้เยื่อหุ้มเซลล์มีศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้น (hyperpolarise) หรือคงไว้ใกล้ระดับพัก ทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าหลังไซแนปส์ชนิดยับยั้ง (inhibitory postsynaptic potentials, IPSPs) การประมวลผลไซแนปส์ (synaptic integration) คือกระบวนการที่สัญญาณตรงข้ามเหล่านี้ถูกรวมเข้าด้วยกันทั้งในเชิงพื้นที่และเวลา เพื่อตัดสินใจว่าเซลล์ประสาทจะส่งสัญญาณหรือไม่

Definition

การประมวลผลไซแนปส์ (synaptic integration) คือการรวมกันเชิงพื้นที่และเวลาของศักย์ไฟฟ้าหลังไซแนปส์ชนิดกระตุ้น (ที่ทำให้เกิดการลดลงของศักย์ไฟฟ้า) และศักย์ไฟฟ้าหลังไซแนปส์ชนิดยับยั้ง (ที่ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของศักย์ไฟฟ้าหรือการลัดวงจร) โดยเซลล์ประสาทหลังไซแนปส์ ซึ่งศักย์ไฟฟ้าสุทธิของเยื่อหุ้มเซลล์ที่บริเวณกระตุ้นจะเป็นตัวกำหนดว่ามีการสร้างศักย์กิจกรรมหรือไม่

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุม EPSPs และ IPSPs, พื้นฐานไอออนิกของการกระตุ้นและการยับยั้ง, การรวมสัญญาณเชิงพื้นที่และเวลา, และบทบาทของความสมดุลระหว่างการกระตุ้นและการยับยั้งในการกำหนดผลลัพธ์ของเซลล์ประสาท เนื้อหานี้ถูกนำเสนอในเชิงสรีรวิทยาและไม่ได้ให้คำแนะนำในการจัดการทางคลินิก

Core questions

• เหตุการณ์ไอออนิกใดที่ทำให้เกิด EPSP เทียบกับ IPSP?
• เซลล์ประสาทรวมสัญญาณนำเข้าจากเดนไดรต์และตลอดช่วงเวลาได้อย่างไร?
• ความแตกต่างระหว่างการยับยั้งแบบเพิ่มศักย์ไฟฟ้า (hyperpolarising) และการยับยั้งแบบลัดวงจร (shunting) คืออะไร?
• เหตุใดความสมดุลของการกระตุ้นและการยับยั้งจึงมีความสำคัญต่อผลลัพธ์?

Key concepts

• ศักย์ไฟฟ้าหลังไซแนปส์ชนิดกระตุ้น (EPSP)
• ศักย์ไฟฟ้าหลังไซแนปส์ชนิดยับยั้ง (IPSP)
• ศักย์ย้อนกลับและแรงขับเคลื่อน
• การรวมสัญญาณเชิงพื้นที่
• การรวมสัญญาณเชิงเวลา
• การยับยั้งแบบลัดวงจร
• การยับยั้งแบบเฟสิกและโทนิก
• บริเวณกระตุ้นและขีดเริ่มเปลี่ยนของการส่งสัญญาณ

Key theories

การรวมสัญญาณเชิงพื้นที่และเวลา

ศักย์ไฟฟ้าหลังไซแนปส์จะรวมกันเมื่อทับซ้อนกันในเชิงพื้นที่ (ข้อมูลนำเข้าจากตำแหน่งที่ต่างกัน) หรือในเชิงเวลา (ข้อมูลนำเข้าที่มาถึงอย่างรวดเร็วต่อเนื่องกัน) การที่เซลล์ประสาทจะถึงขีดเริ่มเปลี่ยนหรือไม่ขึ้นอยู่กับการลดลงของศักย์ไฟฟ้ารวมที่บริเวณกระตุ้น

ความสมดุลของการกระตุ้นและการยับยั้ง

การส่งสัญญาณของเซลล์ประสาทสะท้อนถึงน้ำหนักสัมพัทธ์ของแรงกระตุ้นและแรงยับยั้ง โดยมีการยับยั้งแบบเฟสิกและโทนิกเป็นตัวกำหนดอัตราขยายและจังหวะเวลาของการตอบสนอง

Mechanisms

สารสื่อประสาทชนิดกระตุ้นจะเปิดช่องไอออนที่ยอมให้แคตไอออนผ่านได้ ซึ่งทำให้เยื่อหุ้มเซลล์มีศักย์ไฟฟ้าลดลง ก่อให้เกิด EPSP ในขณะที่สารสื่อประสาทชนิดยับยั้ง เช่น GABA และไกลซีน จะเปิดช่องคลอไรด์หรือช่องโพแทสเซียมที่ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์คงอยู่ใกล้หรือต่ำกว่าระดับพัก ก่อให้เกิด IPSP การยับยั้งยังสามารถทำงานโดยการลัดวงจร (shunting) ซึ่งเป็นการลดความต้านทานของเยื่อหุ้มเซลล์ ทำให้กระแสไฟฟ้ากระตุ้นก่อให้เกิดการลดลงของศักย์ไฟฟ้าได้น้อยลง ศักย์ไฟฟ้าแต่ละตัวเป็นแบบไล่ระดับและลดลงตามระยะทาง ดังนั้นเซลล์ประสาทจึงรวมสัญญาณเหล่านี้ในเชิงพื้นที่ทั่วทั้งเดนไดรต์และในเชิงเวลาเมื่อสัญญาณมาถึงใกล้เคียงกัน ศักย์ไฟฟ้ารวมจะถูกอ่านที่บริเวณกระตุ้น และศักย์กิจกรรมจะถูกสร้างขึ้นก็ต่อเมื่อการลดลงของศักย์ไฟฟ้าสุทธิถึงระดับขีดเริ่มเปลี่ยนเท่านั้น ดังนั้นความสมดุลของการกระตุ้นและการยับยั้งในแต่ละขณะจึงเป็นตัวกำหนดผลลัพธ์ของเซลล์

Clinical relevance

ความไม่สมดุลระหว่างการกระตุ้นและการยับยั้งเป็นประเด็นที่พบได้บ่อยในภาวะทางระบบประสาท เช่น อาการชัก ซึ่งการกระตุ้นที่มากเกินไปหรือการยับยั้งที่ไม่เพียงพอสามารถนำไปสู่การส่งสัญญาณที่ผิดปกติได้ และยาหลายชนิดออกฤทธิ์โดยการเพิ่มหรือลดการส่งสัญญาณยับยั้ง บทความนี้อธิบายสรีรวิทยาการประมวลผลตามปกติ และมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นข้อมูลพื้นฐานมากกว่าคำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

การบันทึกศักย์ไฟฟ้าภายในเซลล์จากเซลล์ประสาทสั่งการโดย John Eccles และคณะในทศวรรษ 1950 ได้เปิดเผย EPSP และ IPSP รวมถึงพื้นฐานไอออนิกของการกระตุ้นและการยับยั้งของไซแนปส์ ซึ่งเป็นผลงานที่ได้รับการยอมรับด้วยรางวัลโนเบล งานวิจัยในภายหลังได้อธิบายลักษณะเฉพาะของรูปแบบการยับยั้งแบบเฟสิกและโทนิก และปรับปรุงความเข้าใจว่าการรวมสัญญาณควบคุมผลลัพธ์ของเซลล์ประสาทได้อย่างไร

Key figures

• John Eccles
• Mark Farrant
• Zoltan Nusser

Seminal works

• eccles-1964
• farrant-nusser-2005

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่าง EPSP และ IPSP คืออะไร?

EPSP คือศักย์ไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการลดลงของศักย์ไฟฟ้าซึ่งเคลื่อนเยื่อหุ้มเซลล์เข้าใกล้ขีดเริ่มเปลี่ยนของการส่งสัญญาณ ในขณะที่ IPSP คือศักย์ไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของศักย์ไฟฟ้าหรือทำให้มีเสถียรภาพซึ่งเคลื่อนเยื่อหุ้มเซลล์ออกจากขีดเริ่มเปลี่ยน ผลลัพธ์ของเซลล์ประสาทขึ้นอยู่กับผลรวมของทั้งสองอย่าง

การยับยั้งแบบลัดวงจร (shunting inhibition) คืออะไร?

เป็นการยับยั้งที่ทำงานโดยการเปิดช่องไอออนที่เพิ่มการนำไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ ทำให้กระแสไฟฟ้ากระตุ้นที่เข้ามาทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่น้อยลง ซึ่งช่วยลดการกระตุ้นแม้ว่าจะไม่ได้ทำให้เซลล์มีศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างรุนแรงก็ตาม