Chương 7
CƠ SỞ HÓA LÝ CỦA SỰ HƯNG PHẤN

I. Khái niệm hưng phấn và ngưỡng hưng phấn
* Khái niệm hưng phấn
Hưng phấn là sự chuyển từ trạng thái nghỉ ngơi sang trạng thái hoạt động. Hưng phấn bao
gồm hai cơ chế: Cơ chế tiếp nhận kích thích bởi các thụ quan và cơ chế chuyển tín hiệu
kích thích thành tín hiệu điện, truyền về não để xử lý thông tin và phát tín hiệu thực hiện
phản ứng trả lời. Tín hiệu kích thích rất đa dạng nhưng chủ yếu là tín hiệu vật lý (nhiệt, ánh
sáng, áp suất ) và tín hiệu hóa học (hoócmôn, mùi, vị ). Chức năng chuyển tín hiệu kích
thích thành tín hiệu điện (tức sóng hưng phấn) và dẫn truyền sóng hưng phấn do noron thực
hiện. Thực hiện phản ứng trả lời có thể là cơ quan, mô, tế bào và cả ở mức độ phân tử.
Trong hệ sinh vật, từ sinh vật đơn bào tới sinh vật đa bào tuy có mức độ tiến hóa khác xa
nhau nhưng đều tồn tại tính hưng phấn để thích nghi với sự thay đổi của môi trường sống.
* Khái niệm ngưỡng hưng phấn E
D
B
C
O
1 Reobaz A
2 Reobaz G
Cư
ờ
n
g
đ
ộ


t: Thời gian ngưỡng
a: Hằng số ứng với đường thẳng thời gian chạy song song với trục tung
b: Hằng số ứng với đường thẳng cường độ chạy song song với trục hoành
Nếu cường độ i = 2b, nghĩa là bằng 2 reobaz thì phương trình (7.1) sẽ có dạng:
2b =
t
a
+ b (7.2) → b =
t
a
→ t =
b
a

Thời trị thay đổi tùy theo mô. Ví dụ ở người thời trị của cơ duỗi dài gấp từ 1,5 đến 2 lần
so với cơ gập.

II. Lý thuyết hưng phấn của Heinbrun (1928)
Trên cơ sở những số liệu thực nghiệm về quá trình hưng phấn có liên quan tới sự thay
đổi cấu trúc hóa lý của nguyên sinh chất, như là thay đổi tính chất keo thể hiện ở tế bào
thực vật bậc cao và động vật nguyên sinh (amip) mà Heinbrun đã đưa ra thuyết đông tụ
vào năm 1928. Heinbrun cho rằng: Tất cả các yếu tố kích thích đều gây nên quá trình
đông tụ nguyên sinh chất kèm theo sự tăng đột ngột độ nhớt cấu trúc của nó. Quan niệm
này được củng cố qua số liệu về các chất ức chế sự hưng phấn như thuốc ngủ, thuốc mê
đều làm giảm độ nhớt của nguyên sinh chất.
Thuyết đông tụ của Heinbrun giải thích các yếu tố kích thích có bản chất khác nhau khi
tác dụng lên các tế bào của thụ quan, trước tiên giải phóng Ca
++
mà trước đó trong
nguyên sinh chất Ca

, Cl
-
lại xâm
nhập vào trong tế bào rất nhanh.
Cũng như thuyết đông tụ, thuyết phá hủy cấu trúc đưa ra chỉ là để giải thích về sự thay
đổi tính chất hóa lý của nguyên sinh chất, mới giải thích hiện tượng của quá trình hưng
phấn mà chưa giải thích được bản chất của quá trình hưng phấn.

IV. Lý thuyết hưng phấn của Nernst (1899)
Năm 1887, Arenius công bố các chất khi hòa tan trong nước sẽ phân ly thành các ion
dương và ion âm, dưới tác dụng của dòng điện ngoài, các ion sẽ chạy về điện cực mang
điện tích trái dấu với điện tích ion. Các ion có kích thước và bản chất điện tích khác nhau
nên có vận tốc chuyển động về hai cực cũng khác nhau. Sau khoảng thời gian nhất định
sẽ tạo nên những lớp có mật độ ion khác nhau, tức sẽ xuất hiện một hiệu điện thế. Nếu
ngắt nguồn điện bên ngoài, thay vào đó cắm 2 điện cực vào dung dịch điện phân, nối với
một bóng điện thì đèn sẽ sáng. Đó là dòng điện xuất hiện trong dung dịch điện phân. Năm
1899, Nernst dựa trên kết quả nghiên cứu của Arenius cũng xem tế bào như một dung
dịch chất điện phân được bao bọc bởi màng tế bào. Dưới tác dụng của dòng điện kích
thích, các ion âm và dương trong tế bào chất sẽ chạy về hướng điện cực kích thích có
điện tích trái dấu với điện tích ion. Sau một thời gian các ion âm và dương chuyển động
theo hai hướng khác nhau sẽ tập trung ở hai phía của màng tế bào. Ở ngoại bào cũng có
các ion dương và âm, do lực hút tĩnh điện, nếu ở một phía tế bào, mặt trong tích điện âm
thì mặt ngoài màng tích điện dương còn ở phía kia của tế bào ở mặt trong sẽ tích điện
dương và mặt ngoài màng tích điện âm. Kết quả là giữa bên trong và bên ngoài màng tế
bào đã hình thành nên một hiệu điện thế và khi điện thế này đạt giá trị ngưỡng thì tạo ra
sự hưng phấn. Sự chênh lệch về nồng độ ion liên quan đến cường độ và thời gian kích
thích và để tạo ra hưng phấn phải thỏa mãn công thức:

k
t

hoặc kích thích cường độ lớn với thời gian kích thích ngắn thì đều không gây ra hưng
phấn. Ở mỗi đối tượng nghiên cứu khi kích thích cường độ dòng điện là 1 reobaz thì có
một thời gian kích thích cần thiết (thời gian hữu ích).
Bảng 7.1: Thời gian hữu ích của một số đối tượng nghiên cứu

TT

Đối tượng nghiên cứu Thời gian hữu ích
1 Cơ trơn dạ dày ếch 1 giây
2 Cơ trơn của nhuyễn thể 10
-1
giây
3 Cơ chân của nhuyễn thể 10
-2
giây
4 Thần kinh ếch 10
-3
giây
5 Thần kinh động vật máu nóng 10
-4
giây

Lý thuyết hưng phấn của Nernst không nêu ra cụ thể sự thay đổi nồng độ của những ion
nào và giới hạn ngưỡng nồng độ là bao nhiêu để có thể tạo ra hưng phấn.

V. Lý thuyết hưng phấn của Bernstein (1906)
Năm 1906, Bernstein đưa ra lý thuyết hưng phấn để giải thích cơ chế hình thành điện
thế tĩnh khi tế bào ở trạng thái nghỉ ngơi và cơ chế hình thành điện thế hoạt động khi tế
bào ở trạng thái hưng phấn. Bernstein cho rằng tế bào khi ở trạng thái nghỉ ngơi do màng
có tính bán thấm tức là thấm K

lớn nên xảy ra hiện tượng, trong dung dịch ion có kích nhỏ lại khó thấm qua siêu lỗ trên
màng so với ion có kích thước lớn hơn. Ví dụ Na
+
có đường kính 1,9A
0
bị 8 phân tử H
2
O
bao quanh còn K
+
có đường kính 2,6A
0
chỉ có 4 phân tử H
2
O bao quanh nên K
+
thấm qua
siêu lỗ trên màng dễ hơn so với Na
+
. Năm 1955, Hodgkin và Katz bằng phương pháp
đồng vị phóng xạ đánh dấu xác định được khi tế bào ở trạng thái tĩnh, dòng Na
+
đi ra
bằng dòng Na
+
đi vào còn dòng K
+
đi ra lớn gấp xấp xỉ 1,63 lần so với dòng K
+
đi vào.

+
giữa bên trong và
bên ngoài màng tế bào) thì giá trị điện thế tĩnh cũng giảm dần. Khi nồng độ K
+
ở bên
ngoài bằng nồng độ K
+
ở bên trong tế bào thì điện thế tĩnh sẽ bằng không. Khi giảm dần
nồng độ K
+
ở bên ngoài về giá trị như lúc ban đầu thì điện thế tĩnh lại được khôi phục.
Song nếu tăng nồng độ Na
+
ở trong tế bào lên thì điện thế tĩnh vẫn không thay đổi. Khi bị
kích thích, tế bào đã chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái hưng phấn và tế bào bị đổi
cực, tức là bên trong tế bào có điện tích dương còn bên ngoài có điện tích âm. Khi tế bào
hưng phấn, Bernstein cho rằng màng tế bào đã mất tính bán thấm nên không còn phân
biệt tính thấm giữa K
+
với Na
+
và cho cả các anion hữu cơ thấm ra bên ngoài. Chính do
các anion hữu cơ thấm ra ngoài và các Na
+
thấm vào trong dễ dàng hơn so với K
+
thấm ra
ngoài đã làm cho tế bào bị đổi cực. Sau này thực nghiệm đo được giá trị tuyệt đối của
điện thế hoạt động lớn hơn giá trị tuyệt đối của điện thế tĩnh nhưng theo giả thuyết của
Bernstein thì không giải thích được bản chất của hiện tượng này. Ví dụ noron thần kinh

+
, Cl
-
ở bên ngoài và bên trong noron lúc nghỉ ngơi, thay các giá trị đã biết vào
công thức Gondman sẽ tính được điện thế tĩnh bằng -89mV. Khi noron hưng phấn nếu
vẫn lấy P
K+
= 1 làm đơn vị để so sánh thì P
Na+
= 20, P
Cl-
= 0,045. Cũng xác định nồng độ
K
+
, Na
+
, Cl
-
ở bên trong và bên ngoài noron lúc hưng phấn, thay các giá trị đã biết vào
công thức Goldman sẽ tính được điện thế hoạt động bằng 38mV. Khi noron hưng phấn,
điện màng đã chuyển từ -89mV lên 38mV, do vậy giá trị tuyệt đối của điện thế hoạt động
phải là |-89mV|+38mV=127mV. Như vậy, bản chất của hiện tượng điện thế hoạt động có
giá trị tuyệt đối lớn hơn giá trị tuyệt đối của điện thế tĩnh. Khi ngừng kích thích, màng
noron sẽ khôi phục lại tính bán thấm để duy trì sự chênh lệch về nồng độ ion giống như
lúc ban đầu, tức là duy trì điện thế tĩnh.
Lý thuyết màng của Bernstein chưa đề cập đến vai trò của các ion hóa trị hai như Ca
++
,
Mg
++

Từ những kết quả nghiên cứu trên, Laxarev đã đưa ra lý thuyết ion về sự tương thích
hoặc đối kháng giữa một số ion. Ông cho rằng, khi tế bào ở trạng thái nghỉ ngơi sẽ duy trì
tỷ lệ giữa ion hóa trị một và ion hóa trị hai ở một giá trị xác định và không thay đổi:

2
1
C
C
= hằng số (7.6)
C
1
: Nồng độ ion hóa trị 1
C
2
: Nồng độ ion hóa trị 2
Khi kích thích, tỷ số này bị thay đổi dẫn đến sự hưng phấn nếu tỷ số này tăng hoặc dẫn
tới sự ức chế hưng phấn nếu tỷ số này giảm.
Lý thuyết hưng phấn của Laxarev giải thích được kết quả thí nghiệm của Flygn. Đó là
hiện tượng kích thích bằng dòng điện một chiều, khi đóng mạch thì hưng phấn xuất hiện
ở cực âm còn cực dương thì bị ức chế. Ngược lại khi ngắt mạch, hưng phấn lại xuất hiện
ở cực dương còn cực âm lại bị ức chế. Laxarev giải thích như sau: Khi đóng mạch, các
ion dương sẽ rời khỏi cực dương về phía cực âm theo hướng của điện trường. Ion dương
hóa trị một linh động hơn so với ion dương hóa trị hai cho nên tập trung ở cực âm nhiều
hơn. Do vậy, ở cực âm tỷ lệ giữa ion hóa trị một trên ion hóa trị hai tăng lên, dẫn đến
hưng phấn xuất hiện ở cực âm. Ngược lại ở cực dương, các ion dương hóa trị hai rời
chậm nên có nồng độ cao hơn so với ion dương hóa trị một đã rời nhanh làm cho tỷ lệ ion
hóa trị một trên ion hóa trị hai giảm xuống gây ra sự ức chế hưng phấn ở cực dương. Khi
ngắt mạch, không còn dòng điện kích thích, các ion sẽ trở về trạng thái phân bố như lúc
ban đầu (lúc chưa kích thích). Các ion dương lại di chuyển từ cực âm về phía cực dương.
Ion dương hóa trị một bị ít phân tử nước bao quanh so với ion dương hóa trị hai nên ion

(20
oC
)
Đồng nhiệt
(37
oC
)

Chức năng
Anpha 10-20 20-40 60-120 Sợi vận động cơ
Beta 7 - 15 15-30 40 - 90 Sợi thụ cảm (sờ mó)
Gamma 4 - 8 8 - 15 30 - 45 Sợi hướng tâm từ cơ
Denta 2,5-5 5 - 9 15 - 25 Sợi thụ cảm da (nóng, lạnh)
B 1 - 3 2 - 6 3 - 5 Sợi tiền hạch dinh dưỡng
C 0,3-1,5 0,3 - 0,8 0,5 - 2 Sợi hậu hạch giao cảm

Kết quả ở bảng 7.2 cho thấy động vật đồng nhiệt (chim, thú, người) có tốc độ dẫn truyền
sóng hưng phấn trong dây thần kinh nhanh hơn so với động vật biến nhiệt (ếch, cá, lưỡng
thê). Các sợi thần kinh dẫn truyền cảm giác đau đớn có tốc độ dẫn truyền chậm nhất (0,7-
1,3m/s), các sợi hướng tâm dẫn truyền cảm giác sờ mó, có tốc độ cao hơn đạt 50m/s còn
các sợi vận động có tốc độ dẫn truyền nhanh nhất đạt tới 160m/s.
Sợi trục thần kinh cũng là một dây dẫn điện và nếu là sợi trần (không có mielin bao bọc)
thì dịch bào tương bên trong sợi trục có điện trở là R
t
còn màng noron có điện trở là R
m
.
Đối với dây thần kinh có mielin bao bọc và do mielin là một chất cách điện rất tốt nên
noron chỉ tiếp xúc với môi trường ngoài qua eo Ranvie. Khi đó noron chỉ tiếp nhận kích
thích qua eo Ranvie và dòng điện hưng phấn cũng chỉ bị suy giảm do truyền điện ra bên

: Điện trở màng noron tỷ lệ thuận với điện trở riêng của 1cm
2
màng (kí hiệu là r
m
) và
tỷ lệ nghịch với bán kính sợi trục thần kinh (kí hiệu là r).

r2
r
R
m
m
π
=
(7.8)
R
t
: Điện trở trong của bào tương cũng tỷ lệ thuận với điện trở riêng của 1cm
3
bào tương
(kì hiệu là r
t
) và tỷ lệ nghịch với bình phương bán kính sợi trục (r).

2
t
t
r
r
R

giá trị là 100mV khi truyền đến eo Ranvie 2 còn 50mV đã kích thích eo Ranvie 2 phát
sinh điện thế hoạt động cũng có giá trị 100mV. Cứ lặp lại như vậy, dòng điện hưng phấn
hay các xung điện thế hoạt động có độ lớn 100mV được truyền đi theo noron cảm giác về
hệ thần kinh trung ương để phát tín hiệu truyền theo noron vận động đến mô hay cơ quan
thực hiện phản ứng trả lời.
Đối với dây thần kinh không có mielin bao bọc, khi kích thích một vùng nào đó thì tại
vùng đó màng mất phân cực rồi đảo cực nên có điện tích trái dấu với vùng xung quanh
còn đang ở trạng thái tĩnh (xem hình 7.1). Tại vùng hưng phấn xuất hiện dòng điện hưng
phấn nó lại kích thích vùng lân cận và lại tạo ra dòng điện hưng phấn mới giống như
dòng điện hưng phấn phát sinh tại vùng bị kích thích. Sự xuất hiện của dòng điện hưng
phấn sau khi bị kích thích cứ lan truyền như vậy trên suốt chiều dài của dây thần kinh
một cách liên tục. Vì vậy, tốc độ dẫn truyền của dòng điện hưng phấn trong dây thần kinh
không có mielin bao bọc thường chậm và tiêu hao nhiều năng lượng.
A
B
C
+
-
+
1
3
+
- 3 +
- -
+ 3 -
+ -
+ -
tĩnh + hưng phấn + tĩnh
1 4
2
2
Hình 7.2: Dẫn truyền hưng phấn trong dây thần kinh có mielin bao bọc

R
1
và R
3
: Eo Ranvie 1 và eo Ranvie 3 ở trạng thái tĩnh
R
2
: Eo Ranvie 2 ở trạng thái hưng phấn khi bị kích thích
c : Sợi trục noron; 2: Bao mielin
3 : Dòng điện hưng phấn
4 : Hướng truyền của dòng điện hưng phấn về hệ thần kinh trung ương

Theo hình 7.2, khi kích thích ở eo Ranvie 2 thì màng noron hưng phấn dẫn tới bị đảo cực
(trong có điện tích dương (+), ngoài có điện tích âm (-)), có điện tích trái dấu với eo
Ranvie 1 và eo Ranvie 3 đang ở trạng thái tĩnh (trong có điện tích âm (-), ngoài có điện
tích dương (+)). Tại eo Ranvie 2 sẽ xuất hiện điện thế hoạt động (tức dòng điện hưng

Ngược lại, số lượng tối đa các xung điện thế hoạt động được truyền đi trong một đơn vị
thời gian càng ít thì tính linh hoạt chức năng của noron càng thấp. Ví dụ, các noron vận
động có thời gian trơ là 2%
o
giây thì tối đa chúng chỉ truyền được 500 xung điện thế hoạt
động trong một giây. Các noron trung gian có thời gian trơ nhỏ hơn 1%
o
giây nên chúng
có thể truyền tối đa 1000 xung điện thế hoạt động trong một giây. Rõ ràng các noron
trung gian có tính linh hoạt chức năng cao hơn so với các noron vận động.
VIII. Cơ chế bàn giao hưng phấn qua xinap
1. Cấu tạo xinap Hình 7.3: Cấu trúc một xinap

Các vị trí tận cùng sợi trục của một noron tiếp xúc với các noron khác và với các tế bào
cơ được gọi là các xinap. Cấu trúc một xinap thể hiện trên hình 7.3 gồm màng trước
xinap, khe xinap và màng sau xinap. Cúc xinap là phần phình to của mút các nhánh của
sợi trục noron trước. Trong cúc xinap chứa thành phần quan trọng nhất, đó là các bóng
xinap. Bên trong các bóng xinap chứa chất môi giới. Giữa màng trước xinap và màng sau
xinap là khe xinap, rộng khoảng 150A
0
đối với xinap noron - noron, còn rộng khoảng
500A
0
ở xinap noron - cơ. Màng sau xinap có những thụ quan (receptor) chuyên biệt để
nhận biết chất môi giới.
2. Bàn giao hưng phấn qua xinap theo cơ chế vật lý
Dòng điện hưng phấn muốn truyền từ noron trước sang noron sau phải vượt qua màng

thích axetincolin vào khe hở xinap. Ở chuột, mỗi xung điện thế hoạt động khi truyền đến
cúc xinap noron - cơ đã kích thích bóng xinap giải phóng vài triệu phân tử axetincolin
vào khe hở xinap. Các phân tử axetincolin vượt qua khe hở xinap mất khoảng 0,5ms.
Axetincolin làm thay đổi tính thấm của màng sau xinap vì màng sau xinap rất nhạy cảm
trước tác động của axetincolin. Từ sự thay đổi tính thấm của màng sau xinap đã dẫn đến
sự mất phân cực và đảo cực, phát sinh điện thế hoạt động có độ lớn giống như xung điện
thế hoạt động đã truyền đến màng trước xinap. Nếu là xinap noron - noron thì xung điện
thế hoạt động phát sinh ở màng sau xinap, tiếp tục được truyền đi theo sợi trục của noron
sau. Đồng thời màng sau xinap cũng giải phóng enzyme axetincolinesterase để xúc tác
cho phản ứng:
Axetincolin + H
2
O → Axetat + colin
Một phân tử enzyme axetincolinesterase ở 25
o
C, trong 1 giây, có thể thủy phân được 300
ngàn phân tử axetincolin. Như vậy, mỗi phân tử enzyme chỉ cần 1/300.000 giây là phân
hủy xong 1 phân tử axetincolin nên mới giải phóng toàn bộ chất axetincolin cũ ở khe
xinap, trước khi có một xung điện thế hoạt động mới truyền tới, lại có một đợt
axetincolin mới đi vào khe xinap. Ngưỡng gây kích thích màng sau xinap của axetincolin
chỉ cần ở nồng độ vô cùng nhỏ từ 10
-16
đến 10
-15
M. Các xinap giải phóng chất môi giới là
axetincolin là các xinap kích thích vì kích thích màng sau xinap làm phát sinh xung điện
thế hoạt động mới giống như xung điện thế hoạt động đã truyền đến màng trước ninap.
Trong cơ thể sống còn tồn tại các xinap ức chế giải phóng chất môi giới ức chế vì làm ức
chế màng sau xinap, không làm phát sinh xung điện thế hoạt động mới ở màng sau xinap
(tức không tạo ra sự hưng phấn ở màng sau xinap). Trường hợp này xảy ra ở xinap noron