Bài học

Truyền tin qua synapse và cung phản xạ

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em trình bày được các bước truyền tin qua synapse hoá học, giải thích được vì sao truyền tin qua synapse chỉ theo một chiều, và mô tả được đầy đủ năm thành phần của một cung phản xạ qua một ví dụ cụ thể.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học điện thế hoạt động lan truyền một chiều dọc sợi trục nhờ vùng màng vừa đi qua tạm thời trơ (same-grade bridge). Nhưng sợi trục của một neuron có giới hạn — xung phải "nhảy" sang neuron kế tiếp hoặc sang cơ, tuyến để tạo ra phản ứng. Bài này giải quyết đúng bước chuyển tiếp đó.

Khởi động

Khi tay em vô tình chạm vào vật rất nóng, phản ứng rụt tay xảy ra trước khi em kịp ý thức được cảm giác nóng. Xung thần kinh phải đi qua nhiều neuron nối tiếp nhau — từ ngón tay, lên tuỷ sống, rồi trở lại cơ ở cánh tay — vậy xung được "chuyển giao" giữa các neuron riêng biệt đó bằng cách nào để toàn bộ hành trình vẫn đủ nhanh?

Kiến thức trọng tâm

Điểm tiếp xúc giữa tận cùng sợi trục của một neuron với neuron khác (hoặc với tế bào cơ, tế bào tuyến) gọi là synapse. Ở phần lớn synapse trong hệ thần kinh — synapse hoá học — hai tế bào không chạm trực tiếp vào nhau mà cách nhau một khe hẹp gọi là khe synapse, nên xung điện không thể tự nhảy qua khe này; việc truyền tin phải dựa vào một chất trung gian hoá học.

Khi điện thế hoạt động lan tới tận cùng sợi trục — gọi là chuỳ synapse — nó làm mở các kênh Ca2+ có cổng điện trên màng chuỳ, Ca2+ tràn vào trong. Ca2+ kích hoạt các túi chứa chất trung gian hoá học di chuyển ra sát màng và vỡ ra, giải phóng chất trung gian vào khe synapse. Chất trung gian khuếch tán qua khe rất hẹp này và gắn vào thụ thể đặc hiệu trên màng sau synapse, làm mở các kênh ion tương ứng trên tế bào sau, tạo ra một điện thế đáp ứng mới ở tế bào đó — nếu điện thế này đủ lớn để đạt ngưỡng, một điện thế hoạt động mới lại phát sinh và tiếp tục lan truyền.

Mỗi bước là điều kiện bắt buộc cho bước sau: thiếu Ca2+ thì không có giải phóng, thiếu chất trung gian thì không có điện thế đáp ứng.

Truyền tin qua synapse chỉ diễn ra theo một chiều duy nhất, từ tế bào trước ra tế bào sau, vì chỉ tế bào trước mới có các túi chứa và bộ máy giải phóng chất trung gian, còn chỉ tế bào sau mới có thụ thể tiếp nhận đặc hiệu — tế bào sau không có gì để "gửi ngược" lại và tế bào trước không có gì để "nhận". Synapse cũng chính là điểm mà tín hiệu thần kinh có thể được khuếch đại, làm suy giảm, hoặc điều chỉnh — nhiều loại thuốc và một số độc tố tác động đúng vào bước gắn thụ thể này để thay đổi hoạt động thần kinh.

Một phản xạ — phản ứng nhanh, tự động, không cần suy nghĩ trước một kích thích — luôn đi qua một con đường cố định gồm năm thành phần nối tiếp nhau, gọi là cung phản xạ. Thụ thể tiếp nhận kích thích từ môi trường và chuyển thành xung thần kinh. Dây thần kinh hướng tâm (dây cảm giác) dẫn xung đó về trung ương thần kinh. Trung ương thần kinh (não hoặc tuỷ sống) xử lý thông tin và phát ra lệnh phản ứng. Dây thần kinh li tâm (dây vận động) dẫn lệnh đó tới cơ quan thực hiện. Cơ quan đáp ứng (thường là cơ hoặc tuyến) thực hiện phản ứng thực tế. Giữa các thành phần này luôn có ít nhất một synapse — thường là ở trung ương thần kinh, nơi neuron hướng tâm chuyển giao tín hiệu cho neuron li tâm, đôi khi qua thêm một neuron trung gian.

Năm thành phần nối tiếp nhau: thụ thể, dây hướng tâm, trung ương thần kinh, dây li tâm, cơ quan đáp ứng.

Ví dụ

Giải thích vì sao truyền tin qua synapse chỉ theo một chiều

1
Hãy giải thích vì sao xung thần kinh, sau khi tới một synapse, chỉ có thể truyền tiếp từ neuron trước sang neuron sau mà không thể truyền ngược lại.
2
Ta có chỉ tận cùng sợi trục của neuron trước mới có các túi chứa chất trung gian hoá học và bộ máy giải phóng chúng ra khe synapse khi có Ca2+ tràn vào. (1)
3
Chỉ màng của tế bào sau mới có thụ thể đặc hiệu để tiếp nhận chất trung gian đó, tế bào trước không mang loại thụ thể này trên phần màng tiếp giáp khe synapse. (2)
4
Kết hợp (1) và (2): vì bộ máy "gửi" chỉ có ở một phía và bộ máy "nhận" chỉ có ở phía còn lại, tín hiệu chỉ có thể đi theo đúng một chiều từ nơi có bộ máy gửi tới nơi có bộ máy nhận.
5
Vậy truyền tin qua synapse là một chiều vì cấu trúc giải phóng chất trung gian và cấu trúc tiếp nhận nằm ở hai phía tách biệt, không đối xứng — khác hẳn với một sợi dây dẫn điện có thể dẫn theo cả hai chiều.

Ví dụ

Trình bày cung phản xạ rút tay qua đầy đủ năm thành phần (dạng đề kiểm tra)

1
Một bạn học sinh chạm tay vào thành nồi canh vừa mới bắc ra khỏi bếp và rụt tay lại ngay lập tức. Hãy trình bày đầy đủ con đường dẫn truyền của phản xạ này, nêu rõ vai trò từng thành phần và vị trí (các) synapse tham gia.
2
Ta có thụ thể cảm nhận nhiệt độ ở da ngón tay phát sinh xung thần kinh khi nhiệt độ vượt ngưỡng gây hại, xung này được dẫn về tuỷ sống qua dây thần kinh hướng tâm. (1)
3
Tại tuỷ sống, xung truyền qua synapse với neuron trung gian rồi tới neuron vận động — đây là nơi thông tin được xử lí và lệnh phản ứng được phát ra, không cần chờ tín hiệu đi hết lên não trước. (2)
4
Lệnh phản ứng theo dây thần kinh li tâm đi tới cơ ở cánh tay, qua thêm một synapse thần kinh-cơ nữa, khiến cơ co lại và tay rụt ra khỏi nồi canh. (3)
5
Kết hợp (1), (2), (3): toàn bộ con đường đi qua đúng năm thành phần nối tiếp nhau — thụ thể, dây hướng tâm, trung ương thần kinh, dây li tâm, cơ quan đáp ứng — với ít nhất hai synapse: một ở tuỷ sống và một ở điểm nối thần kinh-cơ.
6
Vậy cung phản xạ rút tay đi qua đủ năm thành phần: thụ thể da → dây hướng tâm → tuỷ sống → dây li tâm → cơ cánh tay — và chính việc tuỷ sống, chứ không phải não, trực tiếp phát lệnh là lý do phản xạ này xảy ra rất nhanh, trước khi em kịp cảm nhận đau.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp là nghĩ mọi phản xạ đều phải "đi qua não" thì mới có thể phản ứng — thực ra nhiều phản xạ, như rút tay khỏi vật nóng, được xử lí ngay tại tuỷ sống, não chỉ nhận được tín hiệu cảm giác đau sau khi tay đã rụt lại. Một nhầm lẫn khác là cho rằng một cung phản xạ chỉ có đúng một synapse — thực tế, tuỳ phản xạ, con đường có thể đi qua một hoặc nhiều neuron trung gian, nghĩa là nhiều hơn một synapse trước khi tới cơ quan đáp ứng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Truyền tin qua synapse: xung tới chuỳ → Ca2+ vào → túi vỡ giải phóng chất trung gian → gắn thụ thể màng sau → điện thế đáp ứng mới — luôn một chiều vì bộ máy gửi và nhận nằm ở hai phía riêng biệt. Cung phản xạ: thụ thể → dây hướng tâm → trung ương thần kinh → dây li tâm → cơ quan đáp ứng, qua ít nhất một synapse.

Một cung phản xạ chỉ xử lý được những phản ứng đơn giản, có sẵn. Nhưng động vật còn có những phản ứng phức tạp hơn nhiều — có thể thay đổi, học hỏi và ghi nhớ. Bài sau chuyển sang tập tính, xem hành vi động vật khác phản xạ ở điểm nào.