Kako hitro potujejo živčni impulzi?

Zastavili ste nam vprašanje, kako hitro potujejo živčni impulzi po našem telesu. Nekateri ste se zanimali tudi, ali mislimo, čutimo in se odzivamo s hitrostjo, ki je primerljiva s hitrostjo svetlobe. Zato si bomo v prispevku od bližje pogledali naše živčevje in pojasnili, kako poteka proces potovanja informacije od nastanka dražljaja do možganov. Izvedeli boste tudi, kakšne so hitrosti impulzov v telesu in ali ti potujejo hitreje kot elektrika.

Informacije o okolju, stanju, položaju in morebitni nevarnosti, v kakršni se v določenem trenutku znajde naše telo, prihajajo iz posameznih delov telesa po živčnih celicah oziroma živčnih vlaknih v možgane. Za elektro-kemijske impulze je živčevje kot nekakšna avtocesta, ki jo uporabljajo za čim hitrejši dostop do možganov, kjer poteka odločanje.

Način potovanja informacije

V splošnem velja, da je hitrost prevajanja impulzov po živčnih celicah odvisna od premera izrastka živčne celice, po katerem se prevaja živčni signal (akson) in stopnje njegove izolacije v obliki mielinske ovojnice (mielinizacija). Večji kot je premer aksona, hitreje lahko impulz po njem potuje.

Mielinizacijo poznamo le pri vretenčarjih. Gre za ovijanje mielinske ovojnice okrog živčnih vlaken, pri čemer deluje ovojnica kot električni izolator vlakna. Na določenih mestih imenovanih Ranvierjevi vozli se ovojnica prekine in izpostavi se živčno vlakno. Na teh predelih se nahajajo ionski kanalčki, ki omogočajo prenos napetosti med vlakni.

To omogoča preskakovanje akcijskega potenciala živčnih vlaken od vozla do vozla, kar lahko predstavlja tudi razdaljo 1 mm. Sposobnost preskakovanja izredno pospeši prenos signalov med živčnimi vlakni. Za primerjavo: prenos živčnih impulzov po vlaknih brez mielinske ovojnice lahko doseže največje hitrosti do 1 m/s, medtem ko po mieliniziranih nevronih potujejo tudi s hitrostjo 120 m/s.

Razlike v hitrosti impulzov

Hitrost prevajanja impulzov je odvisna še od številnih dejavnikov in se med posamezniki razlikuje. Med najpomembnejše dejavnike štejemo starost, spol, zdravstveno stanje, temperaturo okolja, velikost dlani in višino telesa. Znano je, da imajo živčni signali v prvih letih našega življenja le polovico hitrosti, ki jo bodo dosegli kasneje in v odrasli dobi. Normalna hitrost prevajanja impulzov naj bi se vzpostavila okrog 4. leta starosti.

V odrasli dobi velja pravilo, da vsakih 10 let hitrost prevajanja impulzov po telesu upade za 1 m/s. Hitrost signalov se poveča pri višji temperaturi, zato imajo toplokrvne živali hitrejše odzive kot hladnokrvne. Zanimivo je, da so morski nevretenčarji, ki živijo v hladnem okolju s temperaturo okrog 0 °C, razvili debelejše aksone z večjim premerom.

Razlike med spoloma v hitrosti prevajanja živčnih impulzov so našli pri glavnem senzornem živcu v nogah (nervus suralis). Ta naj bi bila pri samicah počasnejša kot pri samcih. Tudi pri vizualni živčni poti so raziskovalci odkrili razliko v hitrosti prenosa signalov med spoloma. Pri moških je bila ta hitrost v povprečju višja od tiste pri ženskah za 4 %, kar pomeni, da imajo moški nekoliko krajši reakcijski čas.

Tudi višina pomembno vpliva na hitrost potovanja informacij po telesu. Hitrost prevajanja impulzov po živčnih vlaknih negativno korelira z višino telesa, kar pomeni, da se z večanjem višine telesa hitrost prevodnosti impulzov zmanjšuje. Pri velikih živalih so razdalje za potovanje informacije od nastanka dražljaja do možganov večje kot pri manjših živalih; tako znotraj možganov kot v perifernem živčevju. Vsled temu imajo večje živali aksone večjih premerov v primerjavi z manjšimi živalmi, da lahko zagotavljajo primerljive reakcijske čase in prevodno hitrost živčnih impulzov.

Načeloma se z večanjem telesa večajo tudi možgani, a korelacija ni strogo premo sorazmerna, saj se bela možganovina ne more večati v tolikšni meri kot samo telo. Študije so potrdile, da se ne glede na živalsko vrsto z večanjem možganov povečujejo nekateri največji aksoni do te mere, da se ohranja najhitrejša prevodnost med možganskima hemisferama pod 5 milisekund.

Nenazadnje na hitrost impulzov v živcih rok vplivata tudi velikost prstov in zapestja. Ugotovili so, da imajo ljudje z večjim premerom zapestja večje hitrosti prevajanja impulzov, medtem ko naj bi bil večji obseg kazalca negativno povezan s hitrostjo prevajanja impulzov po glavnih živcih roke (nervus medianus in nervus ulnaris).

Hitrost bolečine

Hitrost potovanja živčnih impulzov v našem telesu ni povsem enotna. V splošnem velja, da periferni živci v nogah prevajajo impulze s hitrostjo okrog 40 m/s, medtem ko v rokah prevajajo nekoliko hitreje, do 65 m/s. Za prva pomembna spoznanja glede hitrosti potovanja živčnih impulzov v perifernem živčevju sta Erlanger in Gasser prejela leta 1942 Nobelovo nagrado.

Živčna vlakna perifernega živčevja oživčujejo številne senzorne receptorje v telesu. So različnih debelin, kar narekuje raznolikost v hitrosti prevajanja impulzov. Razpon hitrosti potovanja dražljajev je zato raznolik, saj se razteza od 0,5 m/s pa vse do 120 m/s.

Receptorji za bolečino (nocireceptorji) prenašajo informacijo o nevarnosti preko treh tipov dražljajev. Če se urežemo ali udarimo, se aktivirajo mehanski dražljaji, če nam pekoča začimba zaide v oči, se vključijo kemijski dražljaji, medtem ko vročino ali mraz zaznavamo preko toplotnih dražljajev.

Prevajanje informacije o različnih oblikah bolečine poteka na dva načina; počasno in hitro. Najpočasneje prevodna živčna vlakna oživčujejo nocireceptorje paleospinotalamusnega trakta in termoreceptorje za vročino. Ta vlakna so brez mielinske ovojnice in izredno tanka, zato je hitrost prenosa signalov v njih le 0,5 – 2 m/s, informacijo pa občutimo kot počasi pojavljajočo, a kronično bolečino.

Hitreje se prenaša informacija o ostri bolečini. Prenos omogočajo hitra živčna vlakna, ki veljajo za najtanjša mielinizirana vlakna in oživčujejo nociceptorje za dotik in pritisk ter termoreceptorje za mraz in prevajajo signale s hitrostjo 3 – 30 m/s. Zato ni nenavadno, da bolečino zaznamo dvakrat; najprej kot ostro bolečino in sekundo ali dve kasneje še kot topo, kronično bolečino.

Še hitreje, do 75 m/s, potujejo signali po živčnih vlaknih, ki oživčujejo mehanoreceptorje v podkožju. Ta živčna vlakna so najobsežnejša senzorična vlakna. Mehanoreceptorji jim pošiljajo informacijo o mehanskem pritisku in spremembah, krčitveni receptorj v mišicah pa o spremembah v dolžini mišice.

Za najhitrejše prevodna živčna vlakna pa veljajo tista, ki oživčujejo proprioceptorje. Gre za najobsežnejša živčna vlakna za motoriko, ki oživčujejo naše mišice. Ti impulzi potujejo do naših možganov s hitrostjo kar 80 – 120 m/s in prinašajo pomembne informacije o relativni poziciji telesnih delov in našem gibanju.

Hitrost misli

Raziskave centralnega živčnega sistema kažejo, da je razpon hitrosti, s katero živčni impulzi potujejo po možganih in hrbtenjači, zelo velik in se razlikuje med posameznimi deli možganov ter tudi med posameznimi vrstami živali. V možganih so tako kratki aksoni, močno zamreženi s sosednjimi aksoni, pri čemer so razdalje izjemno majhne; kot tudi aksoni večjih dolžin.

Med seboj se razlikujejo tudi po debelini. Točen razpon premerov živčnih vlaken v možganih še vedno ni dobro raziskan, z izjemo dela možganov, ki ga imenujemo corpus callosum. Pri primatih in mačkah so na primer izmerili za prevodnost horizontalnih aksonskih povezav v vizualnem korteksu 0,3 m/s. Meritev sovpada z znanim dejstvom, da gre za živčna vlakna brez mielinske ovojnice ali za vlakna izredno majhnega premera. Ker so v možganih našli tudi veliko debelejša vlakna, je pričakovano, da je hitrost v takih predelih živčevja mnogo hitrejša. Nekatere meritve so pokazale tudi do 110 m/s.

Sedaj lahko odgovorimo tudi na vprašanje glede primerjave hitrosti čutenja in misli z elektriko in svetlobno hitrostjo. V primerjavi z električnim tokom je hitrost prevajanja živčnih impulzov izredno počasna. Živčni impulzi lahko dosežejo največjo hitrost do 120 m/s, kar je 432 km/h, medtem ko električni signali potujejo s kar 50-99 % svetlobne hitrosti (299 792 458 m/s). Po drugi strani pa je hitrost živčnih impulzov velika, če jo primerjamo s kroženjem krvi po telesu (1 – 2 m/s).

Spremljanje hitrosti prevajanja živčnih signalov nam omogoča tudi diagnosticiranje nekaterih nevropatij, še posebno tistih z razvito demielinizacijo živčnih celic. V takem primeru pride do upočasnjenega potovanja impulzov, v nekaterih primerih pa celo do popolne ustavitve prevajanja.

Literatura

• Liewald, D., Miller, R., Logothetis, N., Wagner, H.-J., Shuz, A. 2014. Distribution of acon diameters in cortical white matter: an electron-microscopic study on three human brains and a macaque. Biol. Cybern., 108(5): 541-557.
• Nerve conduction velocity. National Institutes of Health. 2018. Posnetek 28.1.2019. https://medlineplus.gov/ency/article/003927.htm
• Parry, G. J. 2007. Guillain–Barré Syndrome. New York, NY: Demos Medical Publishing: 1–9.
• Reed. T. E., Vernon P. A., Johnson A. M. 2004. Sex difference in brain nerve conduction velocity in normal humans. Neuropsychologia, 42(12):1709-1714.
• Siegel, A., Hreday, S. 2005. Essential Neuroscience. str. 257.
• Stetson, D. S., Albers, J. W., Silverstein, B. A., Wolfe, R. A. 1992. Effects of Age, Sex, and Anthropometric Factors on Nerve Conduction Measures. Muscle & Nerve, 15: 1095–1104.
• Thanakiatpinyo, T., Srisawasdi, G. 2013. Effect of Hand Size on the Stimulation Intensities Required for Median and Ulnar Sensory Nerve Conduction Studies. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 94: 925–929.
• Wang, S. S.-H., Schulz, J. R., Burish, M. J., Harrison, K. H., Hof, P. R., Towns, L. C., Wagers, M. W., Wyatt, K. D. 2008. Functional trade-offs in white matter axonal scaling. J. Neurosci., 28: 4047-4056.

-