Dẫn truyền cảm giác và thụ thể

Cách các tế bào thụ thể chuyên biệt chuyển đổi năng lượng ánh sáng, âm thanh, lực cơ học, hóa chất, và thậm chí cả trường điện và từ thành ngôn ngữ điện của hệ thần kinh.

Definition

Dẫn truyền cảm giác là sự chuyển đổi một kích thích bên ngoài hoặc bên trong bởi một tế bào thụ thể thành sự thay đổi điện thế màng — điện thế thụ thể — có thể được truyền đến hệ thần kinh, với mỗi phương thức cảm giác sử dụng các protein thụ thể và các con đường tín hiệu phù hợp với dạng năng lượng kích thích của nó.

Scope

Chủ đề này bao gồm các cơ chế tế bào mà qua đó các thụ thể cảm giác phát hiện kích thích và tạo ra các điện thế thụ thể phân cấp: quang dẫn truyền trong tế bào cảm quang, cơ dẫn truyền trong tế bào lông và thụ thể xúc giác và căng, hóa cảm trong vị giác và khứu giác, nhiệt cảm, và các phương thức chuyên biệt như điện cảm và từ cảm. Nó đề cập đến độ nhạy của thụ thể, sự thích nghi, phân đoạn dải tần, và sự đa dạng của các thích nghi cảm giác ở các loài động vật. Phạm vi bao phủ mang tính so sánh và cơ chế.

Core questions

• Các tế bào thụ thể chuyển đổi các loại năng lượng kích thích khác nhau thành tín hiệu điện như thế nào?
• Tại sao các thụ thể cảm giác lại thích nghi, và sự thích nghi định hình những gì một loài động vật cảm nhận như thế nào?
• Cường độ và chất lượng kích thích được mã hóa tại thụ thể như thế nào trước khi nó đến não?
• Những giác quan chuyên biệt nào đã tiến hóa, và cơ chế dẫn truyền của chúng hoạt động như thế nào?

Key theories

Điện thế thụ thể như một dẫn truyền phân cấp

Không giống như điện thế hoạt động "tất cả hoặc không", một thụ thể cảm giác tạo ra một điện thế thụ thể (tạo ra) phân cấp có kích thước phản ánh cường độ kích thích, sau đó được mã hóa thành tần số điện thế hoạt động trong dây thần kinh hướng tâm.

Các chuỗi dẫn truyền đặc hiệu theo phương thức

Mỗi giác quan sử dụng một con đường phân tử chuyên biệt — một chuỗi quang dẫn truyền G-protein trong thị giác, các kênh cổng cơ học trong thính giác và xúc giác, và các protein thụ thể cho hóa cảm — để các năng lượng kích thích đa dạng được dẫn vào các tín hiệu điện chung.

Mechanisms

Trong tế bào cảm quang, ánh sáng làm đồng phân hóa retinal liên kết với opsin, kích hoạt một chuỗi G-protein làm thay đổi hoạt động của kênh cổng nucleotide vòng và do đó là điện thế màng. Trong các cơ thụ thể như tế bào lông, sự lệch hướng trực tiếp mở các kênh ion cổng cơ học, tạo ra sự khử cực nhanh chóng. Các hóa thụ thể của vị giác và khứu giác sử dụng các thụ thể và kênh màng để phát hiện các phân tử hòa tan hoặc trong không khí, trong khi các nhiệt thụ thể sử dụng các kênh nhạy cảm với nhiệt độ. Trong mỗi trường hợp, điện thế thụ thể được phân cấp theo cường độ kích thích, trải qua sự thích nghi thông qua một số cơ chế, và được chuyển đổi thành một chuỗi các điện thế hoạt động có tần số mã hóa cường độ. Các hệ thống chuyên biệt — điện thụ thể ở cá, cơ quan hố hồng ngoại ở một số loài rắn, và các từ thụ thể được đề xuất — mở rộng sự dẫn truyền đến các kích thích mà con người không thể cảm nhận.

Clinical relevance

Hiểu biết về dẫn truyền là nền tảng cho các thiết bị cấy ghép cảm giác như cấy ghép ốc tai và võng mạc và giải thích nhiều dạng mất cảm giác; sinh lý học cảm giác so sánh cũng cung cấp thông tin cho sinh thái học cảm giác và thiết kế cảm biến sinh học. Mục này là tài liệu tham khảo giáo dục chứ không phải hướng dẫn lâm sàng.

History

Công trình nghiên cứu về cơ học ốc tai của von Békésy và về các sắc tố thị giác và phản ứng võng mạc của Wald, Granit, và Hartline đã thiết lập cơ sở tế bào của thính giác và thị giác vào giữa thế kỷ XX. Sinh lý học so sánh sau đó đã lập bản đồ các chuỗi phân tử của dẫn truyền và tiết lộ các giác quan kỳ lạ như điện cảm, mở rộng bức tranh vượt ra ngoài năm giác quan cổ điển.

Key figures

• Georg von Békésy
• Ragnar Granit
• Haldan Keffer Hartline
• George Wald

Seminal works

• hill2016
• schmidtnielsen1997
• randall2002

Frequently asked questions

Tại sao các thụ thể cảm giác không trực tiếp tạo ra điện thế hoạt động?

Hầu hết các thụ thể đầu tiên tạo ra một điện thế thụ thể phân cấp tỷ lệ với cường độ kích thích; điều này sau đó được chuyển đổi thành tần số điện thế hoạt động, giúp bảo toàn thông tin cường độ trên khoảng cách dài.

Thích nghi cảm giác là gì?

Đó là sự suy giảm phản ứng của thụ thể đối với một kích thích ổn định, không thay đổi, cho phép các hệ thống cảm giác nhấn mạnh sự thay đổi và duy trì độ nhạy trong một phạm vi rộng các điều kiện.