生物科課程 神經元裡的訊號(動作電位)

<本內容參考Backyard Brains教學資源，嚴禁轉載>

神經系統由神經元所組成，透過接收外界情報、控制肌肉運動、協調各個組織器官…，幫助我們感知環境變化，決定如何應付，並指示身體做出適當的反應。究竟神經系統裡的訊號要如何傳遞，才能快速的將訊號從外界輸入，並對身體的肌肉或其他器官下達指示呢?

實驗目的

量測蟑螂腿的神經訊號，認識動作電位的形成

實驗設備與材料

• 神經元訊號盒
• 蟑螂

背景知識

我們身體裡的神經系統結合了「化學訊號」與「電訊號」進行運作，神經細胞(神經元)可相互通訊，以對身體進行控制。只有一個神經元並無法形成我們神經系統裡的腦。

腦可以作為神經元的網路，我們的腦擁有並使用大約800億個神經元，然而這些神經元彼此是如何通訊呢? 要達成細胞與細胞間的訊息溝通，最初所使用的方式之一為化學訊息。

細菌就是利用這種方式，他運作良好，然而它受到了擴散的限制，想想看: 當你在房間的一側釋放一種氣味時，房間邊緣的人需要多長時間才能聞到它? 應該有更快的方法，其中一種方式就是拉伸細胞，使彼此更緊密的結合在一起。然而這仍存在一個問題: 訊號在細胞中仍然要傳遞很長一段距離。究竟有沒有辦法讓訊息傳遞的速度更快?

答案是:「電」。想想看，當你按下開關時，家裡的電燈啟動速度有多快，神經元也使用電，電沿著神經元傳遞將產生「神經脈衝(spike)」

該如何探索神經元裡的脈衝(又稱為動作電位)呢? 3.8億年的演化給你帶來了「蟑螂」，牠們甚至比恐龍還古老。我們將使用Discoid cockroach (Blaberus discoidalis)，牠們生活在南美洲亞馬遜雨林的腐爛樹皮下。如同大多數的多細胞生物(海綿動物除外)，蟑螂的身體裡佈滿了神經以進行感覺與運動控制。如上所述，神經元利用電訊號與化學訊號的組合來發揮作用

神經元如何產生脈衝? 這是由於神經細胞膜內外的化學和電學梯度造成的。鈉和鉀穿過神經細胞膜的運動所引發瞬時的動作電位變化稱為「動作電位」，或「神經脈衝」

當脈衝到達軸突端會發生什麼?它會導致神經傳導物質從突觸釋放，進而改變下一個神經元的電特性，使其也可能產生脈衝

生物學家在電與神經相關的領域中建立了相當多的理論，並也榮獲諾貝爾獎。在本次實驗中，我們將使用非常可靠的蟑螂腿來量測「脈衝」(別擔心，蟑螂腿會再重新長出來)，你將成為一名電生理學家!

在蟑螂身上，每條腿上的每根「刺」都由一個神經元支配，觸碰「刺」會導致神經元引發脈衝，如果對「刺」施加更大的力時，就會出現更多脈衝，這種脈衝與刺激強度的關係稱為「速率編碼」，由英國劍橋大學埃德加‧阿德里安勳爵於1926年首次發現

這種「速率編碼」僅量測在設定時間段內發生的脈衝數量，儘管很簡單，但速率編碼可以用來回答有關神經元如何響應刺激的複雜問題，現在我們將重新探索這個發現，並進行實驗

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