Нейрон

Neuron by PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, licensed under CC-BY-4.0 (https://phet.colorado.edu)

Тема проекта: Мембранный потенциал нервной клетки

Цель виртуальной лабораторной работы:

  • Изучить основные принципы функционирования мембранного потенциала нервной клетки.
  • Провести виртуальные эксперименты для исследования влияния внешнего фактора на мембранный потенциал.
  • Сформулировать выводы о роли мембранного потенциала в генерации и передаче нервного импульса.

Теоретическая часть

Мембрана каждой живой клетки имеет электрический заряд. Образуется этот заряд потому, что живая клетка поглощает и выделяет определенное количество заряженных частиц — ионов. В состоянии покоя клеточная мембрана снаружи имеет положительный заряд, а внутри — отрицательный. Пока клетка жива эта разность зарядов сохраняется и называется мембранный потенциал (потенциал покоя). У нейронов величина этого показателя составляет 70 мВ.

Если нейрон подвергается воздействию нервного импульса, заряд ее мембраны изменится. Такое изменение называется потенциалом действия. Потенциал действия нейронов составляет 110-120 мВ.

Источники:

  1. Возникновение нервных импульсов и показатели их проведения в различных типах нейронов. (2019). Биология. Учебник для 9 класса общеобразовательной школы. 

Практическая часть

play-rounded-fill

Мембранный потенциал нейрона

В данной виртуальной симуляции вы будете управлять процессом прохождения нервного импульса через нейрон.

Шаг 1. Ознакомьтесь с условными обозначениями. В разделе «Legend» в правой части экрана показаны символы и их названия. (Ознакомьтесь со словарем терминов приведенный ниже)

Шаг 2.  В разделе «Show» ниже вы можете показать или скрыть: ионы, заряд мембраны, количественный показатель концентрации ионов и график потенциала, установив или сняв флажки.

Шаг 3. В левой части экрана находится зуммер. С его помощью вы можете отдалить или приблизить объект.

Шаг 4. Текущая сцена, которую вы наблюдаете, — это процесс, происходящий на мембране нейрона в состоянии покоя. Это означает, что большинство каналов Na+ и K+ закрыты. Обращая внимание на величину их концентрации, можно заметить, что:

  • Во внешней части клетки концентрация Na+ намного выше, чем K+.
  • В цитоплазме наоборот: концентрация K+ намного выше, чем Na+.

Кроме того, внутри клеточная мембрана имеет отрицательный заряд (-), а снаружи — положительный (+).

Шаг 5. Наблюдайте за влиянием нервного импульса на мембрану нейрона. Нажмите кнопку «Stimulate neuron».

Шаг 6. Анализируйте изменения. Вы можете заметить, что заряды мембраны сместились. Это означает, что потенциал покоя сместился в потенциал действия. В нормальных условиях этот процесс происходит очень быстро.

  • Выберите режим “Slow motion”
  • Снова нажмите кнопку «Stimulate neuron»
  • Увеличьте объект с помощью зуммера

Эти действия помогут вам замедлить процесс и получше его рассмотреть.

Шаг 7. Изучите этапы возникновения потенциала действия:

  1. Деполяризация:
    • Каналы Na+ открываются на короткое время.
    • Na+ диффундирует в клетку.
    • Внутренний заряд клетки меняется с отрицательного(-) на положительный(+).
  1. Реполяризация:
    • Увеличение концентрации Na+ внутри клетки вызывает открытие каналов K+.
    • K+ выходит из клетки.
    • Внутренний заряд клетки возвращается к отрицательному(-).
  1. Гиперполяризация:
    • Каналы Na+ закрываются.
    • Мембранный потенциал достигает более отрицательного значения, чем в состоянии покоя.
  1. Восстановление потенциала покоя:
    • Каналы K+ закрываются немного позже, чем каналы Na+.
    • Клетка постепенно переходит в исходное состояние.

Все процессы, происходящие в нашем мозгу, основаны на этой сложной реакции. Обычно в головном мозге миллионы нервных импульсов передаются от одного нейрона к другому в течение нескольких миллисекунд. Таким образом, осуществляются такие процессы как:

  • Мозговая деятельность
  • Сокращение мышц
  • Учащенное сердцебиение и т.д.

Шаг 8. Чтобы увидеть этапы прохождения потенциала действия в виде графика, установите флажок рядом с Potential chart и снова нажмите кнопку Stimulate neuron.

Заключение

Данная симуляция позволила ученикам наглядно представить сложные процессы, происходящие в нервной клетке и понять, как эти процессы связаны с передачей информации в нервную систему.

Словарь терминов

Neuron-Нейрон-Жүйке жасушасы

Membrane potential-Мембранный потенциал-Мембраналық потенциал

Sodium ion-Ион натрия-Натрий ионы

Potassium ion-Ион калия-Калий ионы

Sodium gated channel-Закрытый натриевый канал-Жабық натрий каналы

Potassium gated channel-Закрытый калиевый канал-Жабық калий каналы

Sodium leak channel-Канал утечки натрия-Ашық натрий каналы

Potassium leak channel-Канал утечки калия-Ашық калий каналы

All ions-Все ионы-Барлық иондар

Charges-Заряды-Зарядтар

Concentrations-Концентрации-Концентрациялар

Potential chart-График потенциала-Потенциал графигі