Jednostką strukturalną i funkcjonalną układu nerwowego jest neuron. Jego podstawowym zadaniem jest przyjmowanie, przewodzenie i przekazywanie sygnałów, co związane jest z właściwościami błony komórkowej.
Przewodzenie impulsu we włóknach nerwowych
(bezosłonkowych) (wg Delaney, 1976)
Wewnątrz każdej komórki przeważają kationy potasu i aniony organiczne, natomiast w otoczeniu komórki jony sodowe i chlorkowe. Stężenie anionów po obu stronach błony jest zbliżone, różnice dotyczą stężenia kationów. Wynika to z różnej przepuszczalności błony dla jonów sodu i potasu oraz nieprzepuszczalności dla anionów organicznych. Kationy potasu jako mniejsze łatwiej opuszczają komórkę na drodze dyfuzji w odróżnieniu od większych jonów sodu, z których tylko nieliczne dyfundują do komórki.
Nierównomierne rozmieszczenie kationów po obu stronach błony komórkowej sprawia, iż wnętrze komórki jest bardziej ujemne w stosunku do zewnętrznych powierzchni błony komórkowej. Dodatnie jony są jednak potrzebne wewnątrz komórki dla zrównoważenia anionów organicznych. Dlatego też wypływ kationów potasowych z komórki zgodnie z gradientem stężeń jest w pewnym stopniu hamowany przez siły elektrostatyczne. Przede wszystkim jednak wypływowi potasu z komórki zapobiega pompa sodowo-potasowa, umożliwiająca, dzięki energii pochodzącej z rozkładu ATP przez kompleks enzymatyczny pompy, transport aktywny jonów K+ do wnętrza komórki i jonów Na+ na zewnątrz komórki (kosztem jednej cząsteczki ATP transportowane są 2 jony K+ i 3 jony Na+). Efektem tych procesów jest wytworzenie w poprzek błony spoczynkowego potencjału błonowego. W momencie zadziałania bodźca następuje miejscowa zmiana właściwości elektrycznych błony neuronu (lub komórki mięśniowej) (depolaryzacja – zmiana potencjału błonowego z ujemnego na dodatni). Jeśli bodziec będzie dostatecznie duży, spowoduje otwarcie kanałów jonowych, którymi sód wpływa do komórki, natomiast potas wypływa z komórki. Efektem tego jest dalsza depolaryzacja błony komórkowej. Powstaje wówczas potencjał czynnościowy, który przemieszcza się wzdłuż błony komórkowej neuronu jako fala depolaryzacyjna, gdyż depolaryzacja w danym miejscu błony powoduje depolaryzację obszaru sąsiedniego. Przesuwająca się fala depolaryzacyjna wzdłuż błony komórkowej stanowi impuls nerwowy. Trwa ona ułamek sekundy. Powrót do stanu wyjściowego, czyli repolaryzacja błony rozpoczyna się zamknięciem kanałów sodowych. Rozmieszczenie jonów występujące w stanie spoczynku błony zostaje przywrócone przy udziale pompy sodowo-potasowej i kanałów potasowych. Zanim jednak zostanie przywrócony potencjał spoczynkowy, błona staje się silniej spolaryzowana, co określane jest jako hiperpolaryzacja. Podczas hiperpolaryzacji błona jest mniej pobudliwa, dzięki czemu fala depolaryzacyjna nie może się cofnąć.
Przebieg zmian potencjału na błonie komórki nerwowej podczas trwania potencjału czynnościowego
Przewodzenie impulsów elektrycznych we włóknach nerwowych otoczonych osłonkami mielinowymi odbywa się w sposób skokowy, od jednego przewężenia Ranviera do drugiego, gdyż w cieśniach węzłów jest największa gęstość kanałów jonowych. Dzięki temu jest znacznie szybsze niż we włóknach nerwowych bezosłonkowych, gdzie bodziec jest przewodzony w sposób ciągły.
Gdy fala depolaryzacyjna dotrze do zakończeń aksonu, natrafia na synapsę. W zależności od sposobu przekazania sygnału przez synapsę wyróżnia się synapsy chemiczne i elektryczne. W synapsach chemicznych sygnał elektryczny zostaje zamieniony w chemiczny. Depolaryzacja błony presynaptycznej w zakończeniach aksonu powoduje otwarcie kanałów wapniowych i wniknięcie jonów Ca2+ do komórki, w wyniku czego następuje wydzielenie do szczeliny synaptycznej substancji przekaźnikowej (neuroprzekaźnika), która następnie wiąże się ze swoimi receptorami w błonie postsynaptycznej następnej komórki nerwowej, względnie komórki mięśniowej lub gruczołowej, powodując depolaryzację błony. Może ona wywołać powstanie potencjału czynnościowego, który będzie się przemieszczać dalej.
W synapsach elektrycznych bardzo wąska szczelina synaptyczna umożliwia przeskok impulsu elektrycznego na błonę drugiej komórki.
Neuroprzekaźniki mogą mieć charakter pobudzający lub hamujący. Stąd też wyróżnia się synapsy pobudzające lub hamujące. Do neuroprzekaźników pobudzających należy acetylocholina, kwas glutaminowy, adrenalina, noradrenalina, dopamina, serotonina. Neuroprzekaźnikami hamującymi są: kwas γ-aminomasłowy (GABA), glicyna.
W synapsach pobudzających neuroprzekaźnik wywołuje depolaryzację błony komórkowej na skutek otwarcia kanałów sodowych, co umożliwia napływ jonów Na+ do komórki. Synapsy te umożliwiają przekaz pobudzenia.
W synapsach hamujących neuroprzekaźnik wywołuje hiperpolaryzację błony postsynaptycznej dzięki otwarciu kanałów potasowych, przez które jony K+ wypływają z komórki, przy równoczesnym wnikaniu do komórki przez odpowiednie kanały jonów Cl–. Synapsy te zmniejszają pobudliwość neuronów.
Przewodzenie pobudzenia przez synapsę (wg Wiśniewski, 1994)