Η επικοινωνία των νευρώνων: ηλεκτρισμός και χημεία σε δράση

Τα ηλεκτρικα και χημικα σηματα του εγκεφαλου

«Η επικοινωνία μεταξύ διαφόρων τμημάτων του εγκεφάλου γίνεται μέσω ηλεκτροφυσιολογικών ερεθισμάτων και χημικών ουσιών;»

Ο εγκέφαλος είναι ένα εκπληκτικό και περίπλοκο όργανο που μας επιτρέπει να σκεφτόμαστε, να μαθαίνουμε, να θυμόμαστε και να αισθανόμαστε. Χωρίς τον εγκέφαλο, δεν θα μπορούσαμε να κάνουμε τίποτα από όλα αυτά! Ο εγκέφαλός μας ζυγίζει περίπου 1,3 έως 1,4 κιλά, αλλά περιέχει δισεκατομμύρια νευρώνες, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας ένα τεράστιο και πολύπλοκο δίκτυο (Bear, Connors & Paradiso, 2016). Ο εγκέφαλος χωρίζεται σε διαφορετικές περιοχές με εξειδικευμένες λειτουργίες, όπως ο φλοιός που ελέγχει τη σκέψη και το συναίσθημα, το θάλαμο που ρυθμίζει τα ενστικτώδη κίνητρα και το εγκεφαλικό στέλεχος που ελέγχει τις βασικές λειτουργίες όπως η αναπνοή (Sternberg & Sternberg, 2016). Η επικοινωνία μεταξύ των νευρώνων επιτυγχάνεται μέσω ηλεκτρικών ώσεων που ταξιδεύουν κατά μήκος των αξόνων τους και μέσω χημικών σημάτων που μεταφέρονται στις συνάψεις, τα σημεία επαφής μεταξύ δύο νευρώνων. Όταν ένας νευρώνας διεγείρεται, στέλνει ένα ηλεκτρικό σήμα κατά μήκος του αξονά του έως τη σύναψη, όπου απελευθερώνονται νευροδιαβιβαστές όπως η ακετυλοχολίνη, η ντοπαμίνη, η σεροτονίνη κλπ. Αυτές οι χημικές ουσίες ταξιδεύουν διαμέσου της συναπτικής σχισμής και προσδένονται σε υποδοχείς στον επόμενο νευρώνα, επηρεάζοντας τη δραστηριότητά του (Kandel et al., 2013). Έτσι, μέσω αυτού του συνδυασμού ηλεκτρικών και χημικών σημάτων, οι πληροφορίες μεταφέρονται γρήγορα και αποτελεσματικά σε όλο τον εγκέφαλο, επιτρέποντάς μας να αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο γύρω μας και να ανταποκρινόμαστε κατάλληλα. Η μελέτη αυτών των μηχανισμών επικοινωνίας βοηθά τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τη λειτουργία του εγκεφάλου και τις γνωστικές διεργασίες.

Ηλεκτρικά σήματα στον εγκέφαλο

Περιγραφή του τρόπου με τον οποίο οι νευρώνες επικοινωνούν μέσω ηλεκτρικών ώσεων και συνάψεων

Οι νευρώνες είναι τα βασικά κύτταρα του νευρικού συστήματος που επιτρέπουν τη μετάδοση πληροφοριών στον εγκέφαλο. Κάθε νευρώνας αποτελείται από ένα κυτταρικό σώμα και δενδρίτες που λαμβάνουν πληροφορίες, καθώς και έναν άξονα που μεταφέρει αυτές τις πληροφορίες μακριά από το κυτταρικό σώμα. Ο άξονας καταλήγει σε τερματικά κλαδιά που συνδέονται με άλλους νευρώνες σε σημεία που ονομάζονται συνάψεις (Bear et al., 2016). Η μετάδοση πληροφοριών μεταξύ των νευρώνων γίνεται με τη μορφή ηλεκτρικών σημάτων που ονομάζονται δυναμικά ενέργειας. Όταν ένας νευρώνας δεχτεί ερεθίσματα που τον διεγείρουν, παράγει μια ηλεκτρική ώση που ταξιδεύει κατά μήκος του άξονα του μέχρι τη σύναψη. Εκεί, το ηλεκτρικό σήμα προκαλεί την απελευθέρωση χημικών μηνυμάτων που θα διεγείρουν ή θα αναστείλουν τη δραστηριότητα του επόμενου νευρώνα. Έτσι, το αρχικό ηλεκτρικό σήμα μεταδίδεται αλυσιδωτά από νευρώνα σε νευρώνα, επιτρέποντας τη γρήγορη και αποτελεσματική μεταφορά πληροφοριών (Kandel et al., 2013). Η ταχύτητα με την οποία ταξιδεύουν τα ηλεκτρικά σήματα κατά μήκος του αξονικού κυλίνδρου εξαρτάται από παράγοντες όπως η μυελίνωση. Στους μυελινωμένους νευράξονες, τα σήματα μπορούν να ταξιδέψουν με ταχύτητες έως και 100 μέτρα ανά δευτερόλεπτο! Αυτή η ταχεία μετάδοση επιτρέπει γρήγορες αντιδράσεις και συντονισμό διαφορετικών περιοχών του εγκεφάλου (Purves et al., 2022). Έτσι, τα ηλεκτρικά σήματα αποτελούν έναν αποτελεσματικό τρόπο επικοινωνίας μεταξύ νευρώνων που επιτρέπει τη γρήγορη επεξεργασία πληροφοριών στον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Έρευνες που αποδεικνύουν τη σημασία των ηλεκτρικών σημάτων στη λειτουργία του εγκεφάλου

Η σημασία των ηλεκτρικών σημάτων για τη λειτουργία του εγκεφάλου έχει αποδειχθεί από πολλές σχετικές έρευνες. Για παράδειγμα, μια μελέτη των Carandini και Ferster το 2000 έδειξε ότι η αποστολή διεγερτικών ηλεκτρικών σημάτων σε νευρώνες του οπτικού φλοιού των γάτων οδηγεί σε αυξημένη οπτική αντίληψη (Carandini & Ferster, 2000). Επίσης, οι Marder και Rehm βρήκαν το 2005 ότι η αλλαγή στα πρότυπα των ηλεκτρικών παλμών στους νευρώνες μπορεί να τροποποιήσει σημαντικά τη συμπεριφορά και τις κινητικές λειτουργίες (Marder & Rehm, 2005). Επιπλέον, οι Noback και Demarest τονίζουν στο βιβλίο τους για το νευρικό σύστημα ότι η διακοπή της αγωγής ηλεκτρικών σημάτων στους νευρώνες, για παράδειγμα με φάρμακα ή τραυματισμό, μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια αισθήσεων, παράλυση και άλλες δυσλειτουργίες (Noback & Demarest, 1981). Τέλος, ο Kandel και οι συνεργάτες του αναφέρουν πως η μελέτη των ηλεκτρικών σημάτων έχει βοηθήσει στην κατανόηση πολλών νευρολογικών διαταραχών (Kandel et al., 2013). Όλες αυτές οι έρευνες καταδεικνύουν πόσο κρίσιμο ρόλο διαδραματίζουν τα ηλεκτρικά σήματα στη λειτουργία του εγκεφάλου και τη μετάδοση πληροφοριών μεταξύ νευρώνων.

Χημική επικοινωνία στον εγκέφαλο

Περιγραφή των νευροδιαβιβαστών και του ρόλου τους στη μετάδοση μηνυμάτων μεταξύ νευρώνων

Εκτός από τη μεταφορά ηλεκτρικών σημάτων κατά μήκος του αξονικού κυλίνδρου τους, οι νευρώνες χρησιμοποιούν επίσης χημικά μόρια γνωστά ως νευροδιαβιβαστές προκειμένου να επικοινωνήσουν μεταξύ τους και να μεταδώσουν πληροφορίες στο νευρικό σύστημα. Υπάρχουν διάφοροι τύποι νευροδιαβιβαστών, μερικοί από τους σημαντικότερους είναι η ακετυλοχολίνη, η ντοπαμίνη, η σεροτονίνη, η νορεπινεφρίνη και η γ-αμινοβουτυρική (GABA) (Bear et al., 2016). Αυτές οι χημικές ουσίες συντίθενται και αποθηκεύονται σε συναπτικά κυστίδια στα τελικά κλαδιά του προσυναπτικού νευρώνα. Όταν φτάσει ένα εισερχόμενο ηλεκτρικό σήμα, τα κυστίδια αυτά συντήκονται και απελευθερώνουν τους νευροδιαβιβαστές στη συναπτική σχισμή. Οι απελευθερωμένοι νευροδιαβιβαστές διαχέονται και προσδένονται σε ειδικούς υποδοχείς στην επιφάνεια του μετασυναπτικού νευρώνα. Ανάλογα με το είδος τους, μπορούν είτε να διεγείρουν είτε να αναστείλουν τη δραστηριότητά του. Για παράδειγμα, η ακετυλοχολίνη συνήθως έχει διεγερτική δράση, ενώ η GABA προκαλεί αναστολή των μετασυναπτικών νευρώνων (Kandel et al., 2013). Ωστόσο, η δράση ενός νευροδιαβιβαστή μπορεί να εξαρτάται από τον τύπο νευρώνα, τους συγκεκριμένους υποδοχείς και άλλους παράγοντες. Μέσω της απελευθέρωσης νευροδιαβιβαστών στις συνάψεις, οι νευρώνες μπορούν να ρυθμίσουν ακριβώς τη δραστηριότητα άλλων νευρώνων-στόχων και να συντονίσουν τη λειτουργία πολύπλοκων νευρωνικών κυκλωμάτων στον εγκέφαλο. Η χημική σηματοδότηση μέσω νευροδιαβιβαστών αποτελεί λοιπόν έναν κρίσιμο μηχανισμό επικοινωνίας μεταξύ νευρώνων.

Έρευνες που δείχνουν τη σημασία των νευροδιαβιβαστών για τις λειτουργίες του εγκεφάλου

Πολλές έρευνες έχουν αναδείξει τη σημασία των νευροδιαβιβαστών για τη λειτουργία του εγκεφάλου. Για παράδειγμα, μια μελέτη των Carlsson και Lindqvist το 1963 έδειξε ότι η αποστέρηση της ντοπαμίνης στον εγκέφαλο προκαλεί κινητικές διαταραχές παρόμοιες με το Πάρκινσον (Carlsson & Lindqvist, 1963). Επίσης, ο Schildkraut και οι συνεργάτες του έδειξαν το 1965 ότι οι επίπεδα της σεροτονίνης σχετίζονται με την κατάθλιψη (Schildkraut et al., 1965). Ακόμη, οι Iversen και Iversen σημειώνουν στο βιβλίο τους ότι η μείωση της ακετυλοχολίνης στον εγκέφαλο οδηγεί σε διαταραχές μνήμης και μάθησης (Iversen & Iversen, 2007). Τέλος, ο Kandel και οι συνάδελφοί του υπογραμμίζουν πως πολλές ψυχιατρικές διαταραχές σχετίζονται με δυσλειτουργίες στα συστήματα νευροδιαβιβαστών (Kandel et al., 2013). Όλες αυτές οι μελέτες αποδεικνύουν πόσο σημαντικοί είναι οι νευροδιαβιβαστές για την εγκεφαλική λειτουργία και πώς οι διαταραχές στα επίπεδα ή τη δράση τους μπορεί να οδηγήσουν σε νευρολογικές και ψυχιατρικές παθήσεις.

Αλληλεπίδραση ηλεκτρικών και χημικών σημάτων

Τα ηλεκτρικά και τα χημικά σήματα αλληλεπιδρούν στενά και συντονισμένα για να επιτρέψουν την αποτελεσματική μετάδοση πληροφοριών μεταξύ των νευρώνων στον εγκέφαλο. Όταν ένα εισερχόμενο ηλεκτρικό δυναμικό ενέργειας φτάνει στο τελικό άκρο ενός νευράξονα, ανοίγει διαύλους ασβεστίου στην προσυναπτική μεμβράνη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εισροή ιόντων ασβεστίου στο εσωτερικό του νευρώνα και τη σύντηξη των συναπτικών κυστιδίων που περιέχουν νευροδιαβιβαστές (Kandel et al., 2013). Οι απελευθερωμένοι νευροδιαβιβαστές διαχέονται διαμέσου της συναπτικής σχισμής και προσδένονται σε ειδικούς υποδοχείς στη μεμβράνη των μετασυναπτικών νευρώνων. Αυτό ενεργοποιεί δεύτερους αγγελιαφόρους εντός του κυττάρου οι οποίοι μπορεί να τροποποιήσουν τη διαπερατότητα ιοντικών καναλιών και να αλλάξουν το μεμβρανικό δυναμικό. Αν αυτό φτάσει ένα οριακό επίπεδο, γεννάται ένα νέο δυναμικό ενέργειας που ταξιδεύει κατά μήκος του επόμενου νευρώνα (Bear et al., 2016). Με αυτό τον τρόπο, τα ηλεκτρικά σήματα μπορούν να πυροδοτήσουν την απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών, ενώ οι νευροδιαβιβαστές μετατρέπονται εκ νέου σε ηλεκτρικά σήματα στους μετασυναπτικούς νευρώνες. Η αλληλεπίδραση αυτής της "χημικής σύναψης" επιτρέπει τη γρήγορη και ακριβή μεταφορά πληροφοριών στο νευρικό σύστημα.

Έρευνες για το ρόλο και των δύο τύπων σημάτων στη λειτουργία του εγκεφάλου

Πολλές έρευνες έχουν διεξαχθεί για να μελετήσουν το ρόλο τόσο των ηλεκτρικών όσο και των χημικών σημάτων στη λειτουργία του εγκεφάλου. Για παράδειγμα, οι Hodgkin και Huxley έδειξαν πειραματικά το 1952 ότι τα ηλεκτρικά σήματα οφείλονται σε ροές ιόντων μέσω μεμβρανικών καναλιών (Hodgkin & Huxley, 1952). Από την άλλη, ο Katz και οι συνεργάτες του απέδειξαν το 1968 ότι η απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών εξαρτάται από την εισροή ασβεστίου που προκαλείται από ηλεκτρικά δυναμικά (Katz et al., 1968). Επιπλέον, ο Kandel και οι συνεργάτες του τόνισαν ότι η μακροπρόθεσμη ενίσχυση συναπτικών συνδέσεων βασίζεται στην αλληλεπίδραση ηλεκτρικών και χημικών σημάτων (Kandel et al., 2013). Τέλος, οι Iversen και Iversen σημειώνουν ότι αμφότεροι οι τύποι σηματοδότησης είναι απαραίτητοι για τη μετάδοση πληροφοριών και τον έλεγχο της συμπεριφοράς (Iversen & Iversen, 2007). Όλες αυτές οι έρευνες αναδεικνύουν τη στενή συνεργασία ηλεκτρικών και χημικών σημάτων στη νευρική επικοινωνία και τις γνωστικές λειτουργίες.

Η σύνδεση της νευροεπιστήμης με την εκπαίδευση

Η μελέτη του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου και των μηχανισμών επικοινωνίας μεταξύ των νευρώνων έχει ιδιαίτερα σημαντικές εφαρμογές στον τομέα της εκπαίδευσης (Bruer, 1997). Κατανοώντας σε βάθος πώς ακριβώς λειτουργούν οι διαδικασίες της μάθησης και της μνήμης σε επίπεδο νευροβιολογίας (Howard-Jones, 2014), οι εκπαιδευτικοί και οι υπεύθυνοι σχεδιασμού εκπαιδευτικών προγραμμάτων μπορούν να δημιουργήσουν πολύ πιο αποτελεσματικές και καινοτόμες διδακτικές προσεγγίσεις (Thomas et al., 2018). Για παράδειγμα, γνωρίζοντας ότι η χρήση οπτικοακουστικών ερεθισμάτων και πολυμέσων κατά τη διδασκαλία ενεργοποιεί περισσότερες αισθητηριακές περιοχές του φλοιού του εγκεφάλου (Reynolds & Fletcher-Janzen, 2007), οι εκπαιδευτικοί μπορούν να εντάξουν πολύ πιο συχνά τέτοια εργαλεία στη διδασκαλία τους. Επίσης, κατανοώντας ότι η συνεργασία και η κοινωνική αλληλεπίδραση μεταξύ των μαθητών αυξάνει την έκκριση νευροδιαβιβαστών όπως η οξυτοκίνη (Eisenberger & Cole, 2012), η οποία σχετίζεται άμεσα με τη μάθηση, μπορούν να σχεδιάσουν περισσότερες τέτοιες δραστηριότητες ομαδικής εργασίας. Επιπρόσθετα, η βαθύτερη κατανόηση του ρόλου των ηλεκτρικών σημάτων και των συνάψεων στη μνήμη και τη μάθηση (Santarnecchi et al., 2016) θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη καινοτόμων τεχνολογικών εφαρμογών για την εκπαίδευση, οι οποίες θα επέτρεπαν την ενίσχυση των γνωστικών λειτουργιών των μαθητών (Coch et al., 2005). Για παράδειγμα, η χρήση ηλεκτρικής διέγερσης ή μαγνητικής διέγερσης σε συγκεκριμένες περιοχές του φλοιού θα μπορούσε να βελτιώσει τις επιδόσεις στα μαθηματικά ή τις γλώσσες (Snowball et al., 2013). Συνοψίζοντας, η σύγχρονη έρευνα στον τομέα της νευροεπιστήμης παρέχει εξαιρετικά χρήσιμη γνώση για τη βελτιστοποίηση των εκπαιδευτικών πρακτικών, τον σχεδιασμό προγραμμάτων φιλικών προς τον εγκέφαλο και τελικά την ενίσχυση της μάθησης και της γνωστικής ανάπτυξης των μαθητών (Ansari et al., 2011). Η περαιτέρω διεπιστημονική έρευνα και συνεργασία ανάμεσα στη νευροεπιστήμη και την εκπαίδευση θα ωφελήσει τεράστια και τους δύο αυτούς σημαντικότατους τομείς (Tommerdahl, 2010).

Συμπέρασμα

Eίναι σημαντικό να τονίσουμε τη βαρύνουσα σημασία που έχουν τόσο τα ηλεκτρικά όσο και τα χημικά σήματα για την αποτελεσματική επικοινωνία μεταξύ των νευρώνων και των διαφόρων τμημάτων του εγκεφάλου. Όπως είδαμε, τα ηλεκτρικά σήματα, υπό μορφή ηλεκτρικών ώσεων και δυναμικών ενέργειας, διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο καθώς μεταφέρουν με εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες τη νευρωνική πληροφορία κατά μήκος του αξονικού κυλίνδρου των νευρώνων. Όταν φτάνουν στις συνάψεις, τα ηλεκτρικά σήματα προκαλούν την απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών, μικρών χημικών μορίων που διαχέονται προς τους μετασυναπτικούς νευρώνες και τροποποιούν τη δραστηριότητά τους μέσω χημικής σηματοδότησης. Έτσι, τόσο τα ηλεκτρικά όσο και τα χημικά σήματα είναι απαραίτητα για τη μετάδοση νευρωνικών μηνυμάτων και πληροφοριών. Η κατανόηση αυτών των μηχανισμών είναι κρίσιμης σημασίας για την επιστήμη, καθώς βοηθά στην αποσαφήνιση των λειτουργιών του εγκεφάλου και της γένεσης νευρολογικών διαταραχών. Η περαιτέρω έρευνα σε αυτόν τον τομέα αναμένεται να έχει σημαντικό αντίκτυπο στην εξέλιξη της επιστήμης καθώς και στην ανάπτυξη νέων θεραπειών για νευρολογικές και ψυχιατρικές παθήσεις.

#νευροεπιστήμη #εκπαίδευση #εγκέφαλος

Βιβλιογραφικές Πηγές

Ansari, D., De Smedt, B., & Grabner, R. H. (2011). Neuroeducation – A critical overview of an emerging field. Neuroethics, 5(2), 105-117.
Bear, M.F., Connors, B.W. & Paradiso, M.A. (2016). Neuroscience: Exploring the Brain. 4th ed. Philadelphia: Wolters Kluwer.
Bruer, J.T. (1997). Education and the brain: A bridge too far. Educational Researcher, 26(8), 4-16.
Carandini, M. & Ferster, D. (2000). Membrane potential and firing rate in cat primary visual cortex. Journal of Neuroscience, 20(1), 470-484.
Carlsson, A. & Lindqvist, M. (1963). Effect of chlorpromazine or haloperidol on formation of 3-methoxytyramine and normetanephrine in mouse brain. Acta Pharmacologica et Toxicologica, 20(2), 140-144.
Coch, D., Sanders, L. D., & Neville, H. J. (2005). An Event-related Potential Study of Selective Auditory Attention in Children and Adults. Journal of Cognitive Neuroscience.
Eisenberger, N. I., & Cole, S. W. (2012). Social neuroscience and health: Neurophysiological mechanisms linking social ties with physical health. Nature Neuroscience, 15(5), 669-674.
Hodgkin, A.L. & Huxley, A.F. (1952). A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. Journal of Physiology, 117(4), 500-544.
Howard-Jones, P. A. (2014). Neuroscience and education: Myths and messages. Nature Reviews Neuroscience, 15(12), 817-824.
Iversen, L.L. & Iversen, S.D. (2007). Dopamine Handbook. Oxford: Oxford University Press.
Katz B, Miledi R. The role of calcium in neuromuscular facilitation. J Physiol. 1968 Mar;195(2):481-92.
Kandel, E.R., Schwartz, J.H., Jessell, T.M., Siegelbaum, S.A. & Hudspeth, A.J. (2013). Principles of Neural Science. 5th ed. New York: McGraw-Hill.
Marder, E. & Rehm, K.J. (2005). Development of central pattern generating circuits. Current Opinion in Neurobiology, 15(1), 86-93.
Noback, C.R. & Demarest, R.J. (1981). The Human Nervous System: Basic Principles of Neurobiology. New York: McGraw-Hill.
Reynolds, C. R., & Fletcher-Janzen, E. (Eds.). (2007). Encyclopedia of special education: A reference for the education of children, adolescents, and adults with disabilities and other exceptional individuals. John Wiley & Sons.
Santarnecchi, E., Rossi, S., & Rossi, A. (2015). The smarter, the stronger: Intelligence level correlates with brain resilience to systematic insults. Cortex, 64, 293-309.
Schildkraut, J.J., Schanberg, S.M., Breese, G.R. & Kopin, I.J. (1965). Norepinephrine metabolism and drugs used in affective disorders: A possible mechanism of action. American Journal of Psychiatry, 121(6), 509-521.
Sternberg, R.J. & Sternberg, K. (2016). Cognitive Psychology. 7th ed. Boston: Cengage Learning.
Thomas, M. S., Ansari, D., & Knowland, V. C. (2018). Annual Research Review: Educational neuroscience: Progress and prospects. Journal of Child Psychology and Psychiatry, 60(4), 477-492.
Tommerdahl, J. (2010). A model for bridging the gap between neuroscience and education. Oxford Review of Education, 36(1), 97-109.