<<

#390 ; Por imiti funkcion de nervaj ĉeloj

>>

Laŭ onidiro estas imitado la plej honesta formo de flatado. Nu, mi ne scias. Mia ambicia celo nun estus por iom imiti per kalkuloj la funkciadon de nervaj ĉeloj, sed mi ne volas ilin rekte flatadi. Kiel inĝenieroj ni certe volas kalkuli kaj eksperimenti por vere kompreni.

Nature la ĉelo estas iom kompleksa tutaĵo. Apude estas simpla principa desegnaĵo pri profilo de ĉela membrano en norma stato. La plej gravaj jonoj en ĉelo estas Na+, K+ kaj Cl-. La teksto de bildo nomas ekzemple la jonojn Cl- per finna vorto "Anionit". Ekzistas ankaŭ ekzemple iom grandaj molekuloj de albumino por kiu ne eblas trairi la membranon. La grandaj molekuloj do plejparte restas ene en la ĉelo.

Oni eble povus diri ke por la pozitivaj jonoj mankas unu elektrono kaj la negativaj jonoj posedas unu elektronon tro multe. Kiel tutaĵo estas ili kune nek negativaj nek pozitivaj, sed sume elektre neŭtraj, ĉar sume estas same multe da negativaj kaj pozitivaj jonoj.

Por la malgrandaj jonoj Na+ kaj K+ principe eblas trairi la membranon en iaj kanaloj. Norme la ĉelo tamen volas ke la jonoj Na+ estu plejparte nur ekster la ĉelo kaj tial estas la kanalo por jonoj Na+ norme fermita (maldekstra kanalo en apuda bildo). La ĉelo preferas por enhavi jonoj K+. Por la jonoj Cl- tamen eblas relative facile trairi la membranon.

La situacio ĉe la membrano ne estas tute konstanta. Ekzistas tamen dinamika ekvilibro. Principe la jonoj volus situi ĉie kiel eble plej ebene, sed tia situacio ne plaĉas por la ĉelo. Jonoj veturas tuttempe al ambaŭ direktoj tra la membrano. La pumpilo dekstre povas samtempe aktive forigi jonojn Na+ kaj por transigi jonojn K+ enen, uzante energion de ATP ( Adenozina trifosfato ).

La rezulto estas ke ekzistas elektra potencialo inter la eksterna kaj interna flanko de membrano. Norme la interna membrano estas elektre negativa kaj la eksterna flanko de membrano estas pozitiva. En la bildo estas la tensio de interna membrano -65 miliVoltoj (-0,065 Voltoj) relative al la eksterna membrano.

La tasko de nerva ĉelo estas por transigi signalojn. La signaloj povas esti elektraj, sed ankaŭ ĥemiaj kombinaĵoj estas uzataj ( Nervotransigilo ). Mi nomas la signalon ĉi tie "funkciada potencialo" ( angle "Action Potential" ). Temas pri elektra pulso proksimume 1 ... 5 milisekunda daŭro kaj proksimume 0,1 Voltoj da aliigo de tensio. La tensioj ja ne estas tre altaj. Ekzemple nia cerbo kaj la muskloj de koro tamen funkcias per tiaj pulsoj.

Kiel do estiĝas la "funkciada potencialo" en la nerva ĉelo? La dekstra desegnaĵo klarbildigas la pason de "funkciada potencialo" en 3 iom rapide sinsekvaj fazoj.

Unue (1) estas la kanalo por jonoj Na+ provizore malfermita (maldekstre en la apuda bildo). Tial estos rapide pli multe da pozitivaj jonoj en la ĉelo. La elektra tensio inter la interna kaj eksterna membrano estos nun tute alia. La desegnaĵo montras ke la tensio de interna membrano estas +40 miliVoltoj (+0,04 Voltoj) relative al la eksterna parto de membrano.

Due (2) la aliaj pozitivaj jonoj K+ volas nun deiri la ĉelon por kaŭzi pli malaltan diferencon en potencialo inter la aliaj flankoj de membrano.

Fine, kiel (3) tria fazo estas la situacio iom rapide normigita tiel ke la pumpilo dekstre en la dekstra bildo pumpas la jonojn Na+ ekster la membrano kaj la jonojn K+ enen en la ĉelon.

Norma homa sango
Elektrolito Koncentro en sango Elemento de jonoj
Na+ 135 - 147 mmol / litro Natrio
K+ 3,5 - 5,0 mmol / litro Kalio
Cl- 96 - 110 mmol / litro Kloro
Ca++ 2,2 - 2,5 mmol / litro Kalcio

Temas pri koncentroj de jonoj. Nu, kion mi scias pri tio? Lernolibro pri fiziologio donas la sekvantajn valorojn por elektrolitoj en iom norma homa sango.

( la uzita unuo "mmol" estas unu milono de "mol" ; 1 mol = 1000 mmol )

Povas ja tamen esti ke la situacio estas tre multe alia en ekzemple homaj nervaj ĉeloj?

Kredeble estus la nelibera komputila programo "Simulink" konvena por imiti la funkcion de nerva ĉelo. Tion multekostan programon mi tamen ne posedas. Mi do bezonas trovi alian rimedon por iom imiti la deziritan funkciadon. Temas ja pri procezo kio evoluas dum tempo.

Nu, mi devas unue lerni iom pli ... kaj por tio tasko mi bezonas iom pli da tempo kaj energio ... multe da bonaj signaloj en nervoj ...


Unue ni provu iom kalkuli la norman staton de ĉelo. Mia fonto estas ia angla lernolibro "Introduction to Biomedical Engineering, Chapter 11, Bioelectric Phenomena" kaj jen sekvas iom da preta informo el la libro.

La informo ne estas por homa ĉelo (sed por ia sepio?) kaj la temperaturo estis nur T = +6,3°C, do multe pli malalta ol en homa korpo, sed ni uzu la informon kaj la valuon KT/q = 25,3 mV. Ni uzu la pretan matematikan formulon donitan dekstre.

La valuoj por piednoto "i" estas por la interna flanko ("Cytoplasm") kaj la valuoj por la alia piednoto "o" estas por la eksterna flanko ("Extracellular") de ĉela membrano.

Kaj ni do kalkulas la tension Vm uzante la formulon kaj la donitan informon pri koncentroj de jonoj:

Vm = KT/q * ln((1*20 + 0,04*440 + 0,45*52) / (1*400 + 0,04*50 + 0,45*560)) = 25,3mV * ln( 61 / 654 ) = -2,372 * 25,3mV = -60 mV

Kredeble iom norma valuo por la ĉelo. Pli malfacila demando tamen estas, kiel oni klarigu la mezuritan dum tempo variadan "funkciadan potencialon" kio estas desegnita apude maldekstre?

Nu, temas ja pri konataj elektraj partikloj (jonoj) kioj movas ĉe la ĉela membrano. La movantaj partikloj ja estas jonoj, kaj ne elektronoj, sed ni povus diri simple ke temas pri movanta elektro.

Tial ni kredeble povas imiti la elektran funkciadon de almenaŭ malgranda parto de ĉela membrano dum tempo per relative simpla elektra cirkvito.

Apude dekstre mi provis desegni ian simplan elektran modelon por malgranda parto de ĉela membrano.

Ni povas pensi ke ekzistas en la membrano por la jonoj Na+, K+ kaj Cl- paralele iaj baterioj kiel ekzemple ENa en serio kun iaj reostatoj kiel ekzemple RNa. La baterioj prezentas kune la elektran tension inter la eksterna kaj interna membrano en norma stato kaj la reostatoj iel rakontas kiel rapide la elektra stato povas varii.

Ĉi tian elektran modelon ni bezonas por imiti la variadon de Vm dum tempo, post kiam la jonoj Na+ eniras al la ĉelon.

Mi tamen bezonus mem konstrui propran programon por kalkuli la varian tension, ĉar mi ne posedas pretaj laboriloj por tio. Certe estas grava temo kiel elektra cirkvito funkcias kiam alvenas iom mallonga ekzemple pozitiva elektra pulso (en ĉelo la atako de jonoj Na+).

La valuoj en ioj ĉeloj (por rano) povus esti ekzemple RNa = 15,67 kΩ kaj RK = 1,7 kΩ

Eble mi iam batalos iom pli kun la simpligitaj elektraj modeloj kaj kalkuloj por la ĉela elektra tensio.

Kaj certe fine .......... NI VENKOS!

La Ambasadoro en Finnlando
de sendependa nacio
Mueleja Insulo


Menuo
Ĉefa paĝo (finna lingvo)